熱電發(fā)電器件是利用半導(dǎo)體材料的澤貝克效應(yīng)將熱能直接轉(zhuǎn)換成電能，可用于空間特種電源、工業(yè)余廢熱回收等領(lǐng)域。在實(shí)際應(yīng)用中，轉(zhuǎn)換效率和功率密度是熱電發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要技術(shù)指標(biāo)。長期以來，熱電器件的研究聚焦在如器件能量轉(zhuǎn)換效率的最大化，而另一個(gè)關(guān)鍵性能參數(shù)——功率密度一直被忽略。開發(fā)同時(shí)具有高轉(zhuǎn)換效率和高功率密度，即：“雙高”熱電發(fā)電器件，已成為推進(jìn)熱電發(fā)電技術(shù)實(shí)用化的關(guān)鍵。 

傳統(tǒng)熱電材料和器件研究方法是通過材料性能優(yōu)化獲得具有最高熱電優(yōu)值z(mì)T的熱電材料，再基于該材料開展器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以期獲得最佳的轉(zhuǎn)換效率。這一研究思路將材料優(yōu)化與器件設(shè)計(jì)分割成兩個(gè)獨(dú)立的階段，即：材料研究追求高zT值，器件研究利用最高zT值的材料力求實(shí)現(xiàn)最高轉(zhuǎn)換效率。由于最高zT值材料對(duì)應(yīng)的電、熱輸運(yùn)性能是通常是固定不變的，并且最高轉(zhuǎn)換效率和最大功率密度對(duì)應(yīng)的器件結(jié)構(gòu)參數(shù)也不同，因此造成最佳功率密度和最佳轉(zhuǎn)換效率無法在同一器件中同時(shí)實(shí)現(xiàn)。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，為了獲得高轉(zhuǎn)換效率，必須犧牲一定的功率密度，這也限制了熱電器件的應(yīng)用。 

最近，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所陳立東研究員、柏勝強(qiáng)正高級(jí)工程師團(tuán)隊(duì)與浙江大學(xué)朱鐵軍教授合作，提出了由“器件設(shè)計(jì)”指導(dǎo)“材料優(yōu)化”的反向設(shè)計(jì)策略，利用“功率因子優(yōu)先”和“熱導(dǎo)率匹配”準(zhǔn)則實(shí)現(xiàn)了器件的“雙高”性能?；谠摬呗裕ㄟ^有限仿真模擬提出了雙高器件所需的n型和p型半赫斯勒材料最佳匹配的熱導(dǎo)率和功率因子范圍。根據(jù)這一結(jié)果，通過調(diào)節(jié)n型材料的載流子濃度，獲得了最佳的功率因子以及與p型材料匹配的熱導(dǎo)率。在未使用最高zT值熱電材料的條件下，器件在溫差為680K時(shí)最大轉(zhuǎn)換效率達(dá)到10.5%，最大功率密度達(dá)到3.1Wcm-2，同時(shí)打破了單級(jí)熱電器件轉(zhuǎn)換效率與功率密度的記錄。反向設(shè)計(jì)策略改變了傳統(tǒng)單一追求高zT值和高轉(zhuǎn)換效率的熱電材料和器件的研究思路，為可實(shí)用化高性能熱電器件的設(shè)計(jì)研發(fā)提供了新途徑，可推廣應(yīng)用于其他熱電材料體系。相關(guān)成果發(fā)表于Joule, 2020, doi: 10.1016/j.joule.2020.08.009。 

該工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)的資助和支持，2015級(jí)直博生邢云飛與劉睿恒副研究員為共同第一作者。 

熱導(dǎo)率匹配設(shè)計(jì)“雙高”熱電器件。（a） 估算的熱電優(yōu)值、功率因子、熱導(dǎo)率與載流子濃度關(guān)系圖。（b）利用圖a結(jié)果計(jì)算器件的最大功率密度和最大轉(zhuǎn)換效率。 

雙高器件的最大轉(zhuǎn)換效率和最大功率密度與公開報(bào)道的單級(jí)和級(jí)聯(lián)熱電器件（不含單臂或單偶元件）性能的對(duì)比