溫差電池

1821年，賽貝克發現，把兩種不同的金屬導體接成閉合電路時，如果把它的兩個接點分別置於溫度不同的兩個環境中，則電路中就會有電流產生。這一現象稱為塞貝克(Seebeck)效應，這樣的電路叫做溫差電偶，這種情況下產生電流的電動勢叫做溫差電動勢。例如，鐵與銅的冷接頭為1℃，熱接頭處為100℃，則有5.2mV的溫差電動勢產生。

用半導體製成的溫差電池賽貝克效應較強，熱能轉化為電 能的效率也較高，因此，可將多個這樣的電池組成溫差電堆，作為小功率電源。它的工作原理是，將兩種不同類型的熱電轉換材料N型和P型半導體的一端結合併將其置於高溫狀態，另一端開路並給以低溫時，由於高溫端的熱激發作用較強，空穴和電子濃度也比低溫端高，在這種載流子濃度梯度的驅動下，空穴和電子向低溫端擴散，從而在低溫開路端形成電勢差；如果將許多對P型和N型熱電轉換材料連接起來組成模塊，就可得到足夠高的電壓，形成一個溫差發電機。

溫差電技術研究始於20世紀40年代，於20世紀60年代達到高峰，並成功地在航天器上實現了長時發電。當時美國能源部的空間與防禦動力系統辦公室給出鑒定稱，“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”。近幾年來，溫差發電機不僅在軍事和高科技方面，而且在民用方面也表現出了良好的應用前景。

在遠程空間探索方面，人們從上個世紀中葉以來不斷將目標投向更遠的星球，甚至是太陽系以外的遠程空間，這些環境中太陽能電池很難發揮作用，而熱源穩定，結構緊湊，性能可靠，壽命長的放射性同位素溫差發電系統則成為理想的選擇。因為一枚硬幣大小的放射性同位素熱源，就能提供長達20年以上的連續不斷的電能，從而大大減輕了航天器的負載，這項技術已先後在阿波羅登月艙、先鋒者、海盜、旅行者、伽利略和尤利西斯號宇宙飛船上得到使用。

此外，據德國《科學畫報》雜誌報道，來自德國慕尼黑的一家晶元研發企業研究出的這種新型電池，主要由一個可感應溫差的硅晶元構成。當這種特殊的硅晶元正面“感受”到的溫度較之背面溫度具有一定溫差時，其內部電子就會產生定向流動，從而產生微電流。負責研發這種電池的科學家溫納·韋伯介紹說，“只要在人體皮膚與衣服等之間有5℃的溫差，就可以利用這種電池為一塊普通的腕錶提供足夠的能量”。

雖然溫差發電已有諸多應用，但長久以來受熱電轉換效率和較大成本的限制,溫差電技術向工業和民用產業的普及受到很大制約。雖然最近幾年隨著能源與環境危機的日漸突出，以及一批高性能熱電轉換材料的開發成功，溫差電技術的研究又重新成為熱點，但突破的希望還是在於轉換效率的穩定提高。可以設想一下，在溫差電池技術成熟以後，我們的手機、筆記本電腦電池就可以利用身體與外界的溫度差發電，而大大延長其使用時間。

塞貝克（Seeback）效應，又稱作第一熱電效應，它是指由於溫差而產生的熱電現象。

在兩種金屬A和B組成的迴路中，如果使兩個接觸點的溫度不同，則在迴路中將出現電流，稱為熱電流。

塞貝克效應的實質在於兩種金屬接觸時會產生接觸電勢差，該電勢差取決於金屬的電子逸出功和有效電子密度這兩個基本因素。

半導體的溫差電動勢較大，可用作溫差發電器。

由於不同的金屬材料所具有的自由電子密度不同，當兩種不同的金屬導體接觸時，在接觸面上就會發生電子擴散。電子的擴散速率與兩導體的電子密度有關並和接觸區的溫度成正比。

設導體A和B的自由電子密度為NA和NB，且有NA>NB，電子擴散的結果使導體A失去電子而帶正電，導體B則因獲得電子而帶負電，在接觸面形成電場。這個電場阻礙了電子繼續擴散，達到動態平衡時，在接觸區形成一個穩定的電位差，即接觸電勢。

美國科學家發現，鯊魚鼻子里的一種膠體能把海水溫度的變化轉換成電信號，傳送給神經細胞，使鯊魚能夠感知細微的溫度變化，從而準確地找到食物____科學家猜測，其他動物體內也可能存在類似的膠體。這種因溫差而產生電流的性質與半導體材料的熱電效應類似，人工合成這種膠體，有望在微電子工業領域獲得應用。

美國舊金山大學的一位科學家在1月30日出版的英國《自然》雜誌上報告說，他從鯊魚鼻子的皮膚小孔里提取了一種與普通明膠相似的膠體，發現它對溫度非常敏感，0.1℃的溫度變化都會使它產生明顯的電壓變化。

鯊魚鼻子的皮膚小孔布滿了對電流非常敏感的神經細胞。海水的溫度變化使膠體內產生電流，刺激神經，使鯊魚感知到溫度差異。科學家認為，藉助這種膠體，鯊魚能感知到0.001℃的溫度變化，這有利於它們在海水中覓食。

哺乳動物靠細胞表面的離子通道感知溫度：外界溫度變化導致帶電的離子進出通道，產生電流，刺激神經，從而使動物感知冷暖。與哺乳動物的這種方式不同，鯊魚利用膠體，不需要離子通道也能感知溫度變化。

熱電製冷又稱作溫差電製冷，或半導體製冷，它是利用熱電效應（帕爾帖效應）的一種製冷方法。

1834年法國物理學家帕爾帖在銅絲的兩頭各接一根鉍絲，在將兩根鉍絲分別接到直流電源的正負極上，通電后，發現一個接頭變熱，另一個接頭變冷。這說明兩種不同材料組成的電迴路在有直流電通過時，兩個接頭處分別發生了吸放熱現象。這就是熱電製冷的依據。

半導體材料具有較高的熱電勢可以成功地用來做成小型熱電製冷器。圖1示出N型半導體和P型半導體構成的熱電偶製冷元件。用銅板和銅導線將N型半導體和P型半導體連接成一個迴路，銅板和銅導線只起導電的作用。此時，一個接點變熱，一個接點變冷。如果電流方向反向，那麼結點處的冷熱作用互易。熱電製冷器的產冷量一般很小，所以不宜大規模和大製冷量使用。但由於它的靈活性強，簡單方便冷熱切換容易，非常適宜於微型製冷領域或有特殊要求的用冷場所。

熱電製冷的理論基礎是固體的熱電效應，在無外磁場存在時，它包括五個效應，導熱、焦耳熱損失、西伯克(Seebeck)效應、帕爾帖(Peltire)效應和湯姆遜(Thomson)效應。一般的冷氣與冰箱運用氟氯化物當冷媒，造成臭氧層的被破壞。無冷媒冰箱(冷氣)因而是環境保護的重要因素。利用半導體之熱電效應，可製造一個無冷媒的冰箱。這種發電方法是將熱能直接轉變成電能，其轉變效率受熱力學第二定律即卡諾效率(Carnot efficiency)的限制。早在1822年西伯即已發現，因而熱電效應又叫西伯效應(Seebeck effect)。

威廉·湯姆遜1824年生於愛爾蘭，父親詹姆士是貝爾法斯特皇家學院的數學教授，后因任教格拉斯哥大學，在威廉8歲那年全家遷往蘇格蘭的格拉斯哥。湯姆遜十歲便入讀格拉斯哥大學 (你不必驚訝，在那個時代，愛爾蘭的大學會取錄最有才華的小學生)，約在14歲開始學習大學程度的課程，15歲時憑一篇題為“地球形狀”的文章獲得大學的金獎章。湯姆遜後來到了劍橋大學學習，並以全年級第2名的成績畢業。他畢業後到了巴黎，在勒尼奧的指導下進行了一年實驗研究。1846年，湯姆遜再回到格拉斯哥大學擔任自然哲學 (即現在的物理學) 教授，直到1899年退休為止。

湯姆遜在格拉斯哥大學創建了第一所現代物理實驗室；24歲時發表一部熱力學專著，建立溫度的“絕對熱力學溫標”；27歲時發表《熱力學理論》一書，建立熱力學第二定律，使其成為物理學基本定律；與焦耳共同發現氣體擴散時的焦耳－湯姆遜效應；歷經9年建立歐美之間永久大西洋海底電纜，由此獲得“開爾文勛爵”的貴族稱號。湯姆遜一生研究範圍相當廣泛，他在數學物理、熱力學、電磁學、彈性力學、以太理論和地球科學等方面都有重大的貢獻。撇開這些不談，回到“湯姆遜效應”這個主題上來。在介紹湯姆遜效應之前，還是先介紹一下前人所做的工作。

1821年，德國物理學家塞貝克發現，在兩種不同的金屬所組成的閉合迴路中，當兩接觸處的溫度不同時，迴路中會產生一個電勢，此所謂“塞貝克效應”。1834年，法國實驗科學家帕爾帖發現了它的反效應：兩種不同的金屬構成閉合迴路，當迴路中存在直流電流時，兩個接頭之間將產生溫差，此所謂珀爾帖效應。1837年，俄國物理學家愣次又發現，電流的方向決定了吸收還是產生熱量，發熱（製冷）量的多少與電流的大小成正比。

1856年，湯姆遜利用他所創立的熱力學原理對塞貝克效應和帕爾帖效應進行了全面分析，並將本來互不相干的塞貝克係數和帕爾帖係數之間建立了聯繫。湯姆遜認為，在絕對零度時，帕爾帖係數與塞貝克係數之間存在簡單的倍數關係。在此基礎上，他又從理論上預言了一種新的溫差電效應，即當電流在溫度不均勻的導體中流過時，導體除產生不可逆的焦耳熱之外，還要吸收或放出一定的熱量（稱為湯姆孫熱）。或者反過來，當一根金屬棒的兩端溫度不同時，金屬棒兩端會形成電勢差。這一現象后叫湯姆孫效應（Thomson effect），成為繼塞貝克效應和帕爾帖效應之後的第三個熱電效應（thermoelectric effect）。

湯姆遜效應是導體兩端有溫差時產生電勢的現象，帕爾帖效應是帶電導體的兩端產生溫差（其中的一端產生熱量，另一端吸收熱量）的現象，兩者結合起來就構成了塞貝克效應。

最早的溫差發電機於1942 年由蘇聯研製成功，發電效率為1.5%~2%。之後一些特殊 領域對電源的需求大大刺激了溫差電技術的發展。從20 世紀60 年代開始陸續有一批溫差電技術的發電機成功運用於太空梭、軍事和遠洋探索。近幾年隨著科學技術的 不斷進步，溫差發電機正逐漸拓寬其應用領域，不僅在軍事和高科技方面，而且在民用 方面也表現出良好的義勇前景，隨著能源與環境危機的日益逼近，科學家在利用低品位 與廢能源發電方面加大了研究力度，部分研究成果已步入產業化。

遠程空間探索

自從 1969 年阿波羅號飛船成功登陸月球，人類對太空的探索一直不斷深入地進行 中。隨著探索空間的拓展，對太空中應用的電池也提出了較高的要求。太陽能電池在遠 離太陽、黑暗、冰冷和空洞的世界里很難發揮作用。使用熱源穩定、結構緊湊、性能可 靠、壽命長的放射性同位素溫差發電系統成為理想的選擇。利用溫差電技術，一枚硬幣 大小的放射性同位素熱源能夠提供長達二十年以上的連續不斷的電能，這是其他任何一 種熱能源技術所不能比擬的。而且溫差發電系統擁有更誘人的體積和重量。這使得發電 機的重量大大的減小，完全可以滿足飛船在航行、通訊和科學一起使用方面的所有用電 要求.

軍事

為滿足陸軍對電源系統的特殊要求---輕便、靈活、充電方便等，從1999 年開始，美國能源部啟動了“能源收穫科學與技術項目”，研究利用溫差發電模塊，將士兵的體 熱收集起來用於電池充電。其近期目標是實現對 12 小時的作戰任務最少產出 250 瓦小 時的電能，目前該研究項目取得了多項研究成果。

遠距離通訊、導航和設備保護

溫差電技術性能穩定、無需維護的特點使其在發電和輸送點困難的偏遠地區發揮著 重要的作用。已用於基地、沙漠、森林等無人地區的微波中繼電站電源、遠地自動無線 電接收裝置和自動天氣預報站、無人航標燈、油管的陰極保護等。

小功率電源

體積小、重量輕、無振動、無噪音使溫差發電機非常適合用作小功率電源（小於5W），在各種無人監視的感測器、微笑短程通訊裝置以及醫學和生理學研究用微小型發電機、感測電路、邏輯門和各種糾錯電路需要的短期微瓦、毫瓦級電能方面，溫差技術均可發 揮其獨特的作用。

溫差電感測器

最近，基於熱電轉化材料的 Seebeck 效應，許多新興的溫差電感測器被研製成功，並用於低溫溫度測量、單像素紅外線和X 射線探測、氫氣和其他可燃氣體泄漏檢測等。