硼溫差電堆

溫差電是一種差電現象（thermoelectric phenomena），兩種不同導體連線成閉合迴路，如果兩個接點處有溫度差，在迴路中將產生所謂溫差電動勢。構成兩接點的材料中，合金類占較大比例，但也有半導體或者化合物，如硼化物構成的硼溫差電堆。硼溫差電堆可將熱能直接轉化為電能，即使在只有微小溫差存在的情況下也能套用，是適用範圍很廣的綠色環保型能源。

基本介紹

• 中文名：硼溫差電堆
• 外文名：Boron thermopile
• 功能：產生溫差電動勢
• 優點：無需化學反應、綠色環保能源
• 領域：能源領域

簡介

在 21 世紀全球環境和能源條件惡化、燃料電池又難以進入實際套用的情況下，溫差發電技術更成為引人注目的研究方向。利用熱電效應與化合物熱電材料構成的硼溫差電堆逐漸獲得更多關注。熱電效應是電能與熱能之間的轉換，它是通過熱電轉換材料得以實現的，如合金類、半導體類、化合物類熱電材料。檢定熱電轉換材料的標誌，就在於它的三個基本效應，即：賽貝克（Seebeck）效應、珀耳帖（Peliter）效應和湯姆森（Thomson）效應。

硼溫差電堆原理

溫差電效應

Seebeck 效應是一種溫差電效應，它是指在材料的兩端外加一定的溫度差時，相應材料的兩端就會有產生一定的電動勢。Peltier 效應是 Seebeck效應的逆效應，是指在材料中通以一定方向的電流時，相應在材料的兩端分別會產生吸放熱現象，改變電流方向，吸熱和放熱端也隨之反向。熱電現象本身是可逆的，半導體溫差發電和半導體致冷是熱電現象的兩個方面，互相可逆。對於同一個 PN 結，若施加溫差則可用來發電，若對其通電，則可用於在一端致冷。Thomson 效應則是指若電流流過有溫度梯度的導體時，在導體和周圍環境之間將會進行能量交換。因此，Seebeck效應恰恰就是化合物類硼溫差發電技術的基本原理。

利用賽貝克效應進行溫差發電

賽貝克（Seebeck）效應即在導體兩端存在溫差時，熱端電子的能量和速度高於冷端電子的能量和速度，在 N 型半導體中，除了電子的能量及速度差外，熱端的電子濃度還高於冷端的電子濃度，其結果就引起熱端電子向冷端擴散，冷端積累負電荷，而熱端就剩下未被補償的正電荷，建立了由熱端指向冷端的電場，這個電場阻止電子流繼續由熱端向冷端擴散，當擴散與電場的作用相等時，就達到了統計動平衡，這時就在導體或半導體兩端形成電勢差。

塞貝克電壓ΔV與熱冷兩端的溫度差ΔT 成正比，即：

式中，α為賽貝克係數，其單位為V/K或μV/K。

溫差材料種類

常用的溫差熱電材料中，合金類占很大比例，如銅-康銅（60%Cu， 40%Ni），適用於-200~400℃；鎳鉻-鎳鋁，適用於0~1000℃。但也有半導體合金，如碲化鉍，硒化鉍。以及化合物，如氧化物、硫化物、氮化物、硼化物和矽化物。

其中硼化物主要指硼與金屬、某些非金屬（如碳）形成的二元化合物。除了鋅（Zn）、鎘（Cd）、汞（Hg）、鎵（Ga）、銦（In）、鉈（Tl）、鍺（Ge）、錫（Sn）、鉛（Pb）、鉍（Bi）以外，其他金屬都能形成硼化物。它們都是硬度和熔點很高的晶體，化學性質穩定，熱的濃硝酸也不能將它溶解，可由元素直接化合，或用活潑金屬還原氧化物製取，用作溫差材料、耐火、研磨和超導材料。

套用情況

溫差發電技術研究始於 20 世紀 40 年代，於 20 世紀 60 年代達到高峰，並成功地在太空飛行器上實現了長時間發電。當時美國能源部的空間與防禦動力系統辦公室給出鑑定稱，“溫差發電已被證明為性能可靠、維修少、可在極端惡劣環境下長時間工作的動力技術”。溫差發電技術利用熱 - 電轉換材料直接將熱能轉化為電能，是一種全固態能量轉換方式，無需化學反應或流體介質，因而在發電過程中具有無噪音、無磨損、無介質泄漏、體積小、重量輕、移動方便、使用壽命長等優點，在軍用電池、遠程空間探測器、遠距離通訊與導航、微電子等特殊套用領域具有無可替代的地位。它甚至能利用人的體熱和周圍的環境溫度，為各種攜帶型設備供電。在 21 世紀全球環境和能源條件惡化、燃料電池又難以進入實際套用的情況下，溫差發電技術特別是利用熱電效應與化合物熱電材料構成的硼溫差電堆逐漸獲得更多關注，成為引人注目的研究方向。