氣候變遷、能源廢熱怎麼辦？──專訪國立陽明交通大學材料科學與工程學系吳欣潔教授

現為國立陽明交通大學材料科學與工程學系的吳欣潔教授，是今年 (2021) 臺灣傑出女科學家第14屆新秀獎得主，近年來專注研究綠色能源的開發與應用，從熱力學探討至熱電材料。其實，吳教授在大學時主修的是化工，後來轉至研究材料領域。吳欣潔教授說：「我當時想研究綠色能源，甚至有點天馬行空地想找出完全環保的材料來發電，因為希望作對世界有意義的事情。」

因此，吳欣潔教授的實驗室稱作「高效能熱電材料與綠色能源實驗室」，那熱電材料到底是什麼呢？基本上熱電材料是以半導體材料為主，可以讓「熱」和「電」互相轉換，目前「碲化鉍 (Bi₂Te₃) 」與「碲化鉛 (PbTe) 」是最常用的兩種熱電材料。而熱電材料究竟是怎麼做到不同能量形式的轉換呢？

遇上溫度差，DoReMeSo~產生電流

首先，熱電材料是如何發電的，如同吳教授實驗室網站的第一行字「Where There's Delta-T, There's Electricity（哪裡有溫度差，哪裡就有電）」。關鍵就在──「溫差」，我們將Ｐ型和Ｎ型半導體排列成迴路，再於兩端施加不同溫度，半導體上的電子就會往低溫處跑，電子的濃度不同而形成了電位差，便產生電流，就像瀑布會由高處往低處流，這便是所謂的塞貝克效應 (Seebeck effect)，例如太空探測器便是在核反應器周圍貼上熱電元件，且熱電材料為全固態，相當安全，常用的材料系統為碲化鉛 (PbTe)。
 

那如果我們把發電的原理反過來，將電流通給它，也可以讓半導體電子往同一端跑，電子流動的同時也會帶走熱，進而產生溫差，達到致冷的效果，稱為皮爾特效應 (Peltier effect)。這在民生用品上較為常見，像是有些紅酒櫃便是利用熱電致冷的原理，因此不需要壓縮機，體積也可以縮小許多，常用的材料系統為碲化鉛 (PbTe)為碲化鉍 (Bi₂Te₃)。

茫茫材料海中能夠遇見你

那我們理解到溫差能夠產生電流後，就從此過著幸福快樂的日子了嗎？當然沒有，有句話說：「理想很豐滿，現實卻很骨感。」
 

而熱電材料所面臨的現實就是，大家最關心的「轉換效率」，而能夠代表熱電材料轉換效率的數值稱為「ZT 值」，ZT 值若大於 1，表示轉換效率有機會大於 10％。「如果我們想找到 ZT 值高的材料，就要它的導熱差，但導電好，目前多鎖定在半導體材料。」吳欣潔解釋。除此之外，依據塞貝克效應，會在材料的兩端施予溫差，並且期望未來能夠規模化生產，因此必須是具穩定性的材料。且希望熱電材料能夠是一種綠色能源，所以也不能含有會汙染環境的成分。總而言之，細數這些考量及條件後，發現要找到適合的熱電材料簡直比找到靈魂伴侶還難！
 

吳欣潔笑著說：「所以就像找伴侶一樣，先確定你的首要條件，我們做的是綠色能源，所以希望能從環境友善的材料出發。」半導體材料通常是一個母元素再參雜其他微量元素，比如常用的碲化鉛 (PbTe)之中的鉛 Pb 對環境有污染性，尋找其他可替代的發電用無鉛熱電材料，也是目前迫切之議題。

刪去不符合首要條件的元素後，接著要開始尋找適合的材料比例，吳教授的實驗室採用的方法是「相圖（phase diagram）」，它就像是材料界中的 google map，相圖可以告訴我們對這個材料而言，最好的組成配比是什麼，哪個區間的 ZT 值可能最高，哪裡的狀態最穩定。然而，要製作出一張相圖需要耗費的時間與人力成本十分可觀，但相圖資料庫的累積卻對未來材料科學的發展有很大的幫助，因此吳欣潔也希望，之後可以和人工智慧結合，加速數據的分析以及材料系統的研究。

基本的相圖可以告訴我們在不同的溫度與壓力時，材料的狀態變化。本圖為水的相圖。文中的相圖會再融入不同材料混合後的狀態。圖／wikipedia

用熱發電行不行？熱電材料的未來發展

吳欣潔也提及，熱電材料的研究需要跨領域的專業，例如化工、物理、電機、製成等，臺灣在 2019 年成立了臺灣熱電學會，希望能夠推廣熱電相關學術研究在臺灣的普及，提升基礎研究與產業界的交流。

關於熱電材料未來的發展，吳教授表示，未來若能將環境中大量的廢熱回收，就能大幅度減緩溫室效應及能源耗竭的問題。在民生用途上，或許能夠在穿戴式裝置安裝熱電元件，利用人體體溫及環境的溫差來發電。

利用熱電材料製作的穿戴式智慧恆溫貼片。圖／UC San Diego

此外，吳教授說，臺灣在熱電材料領域有一定的優勢，例如環境上我們有地熱溫泉，而她也認為臺灣的學生相當聰明且基礎訓練佳，適合進行前端研究。在「找材料比找伴侶還難」的熱電材料領域進行研究，或許會遇到很多瓶頸，但吳教授卻說：「做研究的每天都有挫折，每天都有不盡人意的事情，但我覺得重點是從甚麼角度看待，保持樂觀、彈性的態度，就會覺得每一天都有新的發現。」

本文轉載自《科技大觀園》，一個由科技部建置的科普數位整合平臺。