何謂熱電變換原理
所謂熱電變換材料指的是可將熱能與電能相互轉換的材料，具有構造簡單、不需冷媒或機械零組件、無噪音等優點。熱電變換原理一般可以利用Seebeck效、Peltier效應或Thonson’s Effect來達成熱轉換為電或電能轉換為熱能的目的。
一、Seebeck效應
將二種不同的金屬或半導體接合，利用兩端的溫差產生電動勢(Electromotive Force )，即為Seebeck效應。Seebeck Effect如圖一所示般，在物質的兩端有溫差產生時，引起載子濃度平衡崩潰，產生電位差的效應。此種Seebeck效應是所有物質都會產生，但所引起電位差大小卻依物質的不同而異。尤其是半導體材料引起的電位差比較大，成為熱電變換研究的主要材料。為了得到較大的電位差，可使用p型與n 型半導體組合。
將電位差當做V，加熱端與冷卻端的溫度差為△T的話，這兩則的比例關係為：
V=α△T
α為比例常數，稱為Seebeck係數，為熱電變換特性指標之一，此值越大表示其為越好的熱電材料。應用此原理，大至火力、核能發電廠，小至人體體溫等大小熱源，都有可能將其變換成電能取出。
二、Peltier效應
Peltier效應與Seebeck效應相反，係將電力轉換為熱的現象。當金屬-熱電材料-金屬接合時(如圖二)，在載子流動路徑上產生段差，載子朝此段差流動，為了跨越此段差所造成的能障，則須吸收環境的熱能，結果造成周圍溫度的下降。反之，由右端的金屬下來時，過多的能量則向四周放出，結果周圍的溫度上升，即為Poltier效應。
熱電材料應用例
從熱直接轉換成電能的熱電變換結構簡單，又不需要設備的維護，尤其在工業排熱的回收應用可能而開始受到矚目。日本在產總研主導下，自2002年開始開發高效率熱電變換元件，東芝、Komatsu正在進行發電模組的商品化。
熱電變換元件除工業排熱的利用之外，還有廣泛用途，代表性的應用為車載用途與地熱利用。車載用途方面，大阪產業大學與Rinnai等正在開發使用Gas燃燒能轉為發電/行駛的汽車。地熱利用如東芝正在進行溫泉熱(低溫水)轉換為電設備的商品化，並設置在草津溫泉進行實際驗證。
為了降低熱電變換元件的成本且及早普及，必須及早確立量產技術。昭和電線活用自家電線製造的擠壓成型技術，已確立量產系統。
表一、近2~3年突破ZT=1的研究機構/企業之研究成果
一、太空探勘機的原子能電池為熱電變換裝置
外太空無法使用太陽光發電，改用原子能電池產生必需的電。所利用的熱源來自鈈(Plutonium)238，將此物質固化可產生1000度左右的熱，宇宙太空環境則為接近絕對零度，已有足夠的低溫與高溫的溫差，只要將熱電材料夾在兩者之間，即可進行發電。本領域可以不計成本，所以是最早採用熱電變換元件的領域。
二、手錶用/民生用品用電源
手錶用電源所需電量少，利用體溫與外部氣溫的溫差，即可形成熱電變換條件，已商品化。其原理乃利用與Seebeck相反的 ---本文節錄自材料世界網「材料最前線」專欄，更多資料請見下方附檔。
作者：材網編輯室/工研院材化所
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