熱電現象是一種將熱與電做為直接固態轉換的機制，此現象早在1822年就被席貝克(Seebeck)所發現，成為日後溫差發電(Thermoelectric Generator, TEG)的參考依據；隨後法國錶匠珀爾帖(Peltier)於1834年證實Peltier效應，也成為現今最常被使用的致冷晶片(Thermoelectric Cooler,TEC)的基礎；而湯姆森(Thomson)於1854年利用熱力學的關係式，去連結了這二種現象。但熱電材料的發展當時並沒有受到太多人的重視，直至1950年代中，才開始將碲化鉍(Bi2Te3)做為塊材應用，進而促使更多研究學者重視此一熱電材料的開發。而熱電材料依其應用特性，可分為發電與致冷二大方面，材料可操作的溫度區間，也決定了材料日後的應用發展，依操作之特性可區分為低溫(450K以下)、中溫(450-850K)與高溫(1300K以上)
表2、2008~2010國際熱電會議有關材料發展比重分佈
熱電應用現況與展望
熱電材料可以做為冷卻與發電之用，利用Peliter 效應做為冷卻，是目前較為成熟的商品，故此次會議中已較少被提及，相對做為發電之運用，是目前最受注目的研究課題。本節僅就現今熱電材料的應用面，做一簡單的概述如下。
6.1冷卻：
從此次美國能源部的專題演講中可得知，美國能源部現正與福特(Ford) 和通用(GM) 公司共同合作開發熱電空調/加熱裝置 (Thermoelectric air conditioners/heaters, TE HVAC)，如圖8所示[13]。利用帶狀或局部冷卻/加熱系統，使駕駛者更加地舒適，且發展此一HVAC 之消耗功率僅為630W，相較傳統的空調系統約在3500-4500W，少了許多。而現今實例上，熱電材料已經應用在車輛上的溫控座椅系統(Climate Control Seats)，如圖9所示[14]，並安裝在超過4,000,000 部的車輛上，其中最大的優缺點如下：
6.1.1 優點：
(1)具有加熱與冷卻的快速反應。
(2)一個固態元件即可達到加熱與冷卻之功能。
(3)具有精密溫控之功能，準確度可達± 0.05℃。
(4)為一安靜元件，不會有震動或可移動之工件。
(5)比一般傳統加熱或冷卻器體積小。
(6)不會破壞臭氧層，對環境是友善的。
(7)不須後續維護費用。
6.1.2 缺點：
(1)消耗較大的電功率。
(2)易脆裂。
(3)較昂貴。
6.1.3 冷卻的應用面
(1)車輛應用：座椅溫控器(加熱/冷卻)、可加熱/冷卻飲料扶手架。
(2)半導體產業：溫控器、冷卻板(Cooling plates)。
(3)生醫應用：聚合酶鏈鎖反應(Polymerase chain reaction ,PCR)熱循環設備、樣本溫控循環、血液分析器。
(4)科學儀器應用：色譜分析儀、流量計、光譜計。
(5)光學應用：感光耦合元件(Charge Coupled Device, CCD) 冷卻、紅外線偵測、雷射二極體、光學二極體。
(6)通訊產業：封裝元件、導線冷卻。
(7)民生應用：可攜式小冰箱、冰桶、小酒櫃。
(8)新應用：米櫃控溫、靜電霧化裝置、空氣清淨機、衣服烘洗機、吸塵
器、吹風機、保濕抗老化美容儀(Ion steamer)。
6.2發電：
熱電材料亦可利用Seebeck 效應，做為發電的功用，尤其是近幾年來，可以看到美國、日本、中國、德國等汽車大廠積極的投入。除此之外，發電的應用將來是必然的趨勢，且將以400℃的應用面為主，如：車輛廢熱、工業廢熱、民生廢熱等。
熱電材料以TEG 為發展方向，因現今車輛的熱機作功後，仍有近70%是未使用到的，因此，熱電材料應用在汽車廢熱上，可以直接產生電力，而節省5%以上燃油消耗。此一實驗是在美國國家再生能源研究室(National Renewable Energy lab, NREL)執行，並由BSST 公司主導，參與的公司計有Ford 和BMW。從近期安裝於BMW X6 測試上，在高速公路上行駛可產生750W之電力輸出，預計2012 年將安裝在BMW X6 與Ford fusion 車上，而GM 也將在同時間安裝於Chevy 上。除此之外，現今應用面如下：
(1)電力產生：廢熱回收(熱水器)、可攜式電力產生器
(2)國防航太：放射性熱電產生器(Radioisotope Thermoelectric Generator ,RTG)
軍方小型移動電力。
(3)石化業：油氣井(Oil and Gas Well)
(4)太陽能產業：結合太陽能系統為備用電源
(5)汽車工業：排氣岐管廢熱回收，目前評估可利用的溫度範圍，如圖10所示[15]
(6)未來可能應用：煤氣爐(gas fired)發電裝置、鍋爐發電裝置。
未來熱電材料性能提升的方向
熱電效率提升關鍵仍在於材料的開發與製程能力，此次會議中，幾位知名學者也點出了未來熱電研究的展望；另外，形成奈米結構或奈米複合材料的方式，亦為現今研究製程的重點，其觀點整理如下---本文節錄自「材料最前線」專欄，完整資料請見下方附檔。
作者：李炳仁/工研院奈米中心
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