熱電材料與元件之原理與應用

熱電材料與元件之原理與應用

眾 所 周 知 ， 熱 電 致 冷 / 儲 能 元 件

(Cooling Device/Generator)具有體積

小、壽命長、無運動組件及無噪音等 優點，在微電子元件、光通訊元件、

生 化 醫 療 設 備 或 攜 帶 型 電 子 設 備 方 面，具極大的應用發展空間。本文內 容即針對熱電材料歷史發展、熱電元 件運作原理、各種熱電材料特性、熱 電 致 冷 / 儲 能 元 件 應 用 做 一 基 本 之 介 紹。

熱電材料歷史發展與原理

早在19世紀，自然學家就發現了 材料具有熱電(Thermoelectric)之特性；

所謂熱電特性，就是材料在無其它特 定外力協助下，即可將熱與電兩種不 同型態的能量加以互相轉換。當時最 有名的兩種熱電現象分別是在1821年 及 1 8 3 4 年 所 發 現 的 S e e b e c k 效 應 及

Peltier效應。圖一為Seebeck效應之示

朱旭山

工研院工業材料研究所

輕金屬實驗室　研究員

摘　要

本文由介紹

Seebeck

及

Peltier

兩種熱電現象開始，逐步解釋熱電材料中，熱電兩種 能量如何轉換，以及說明

Bi

2

Te

3及

Skutterudite

這兩種熱電材料之晶體結構與導電、

導熱等物裡性質之關係，最後並針對熱電元件運作原理、效率及現有商用熱電元件和 應用做一系列有系統之介紹。

關鍵詞

熱電

(Thermoelectric)

、

Seebeck

係數

(Seebeck Coefficient)

、導電性

(Electric

Conductivity)

、導熱性

(Thermal Conductivity)

、熱電優值

(Figure of Merit)

A V A

B

T T+∆T

▲圖一　Seebeck效應示意圖

(a) Open Circuit

TC TH TC TH

(b) Closed Circuit I V

e-

Electric Current Direction

B

A A

Heat Absorption

JQ

Heat Generation

JQ

J_E

▲圖二　Seebeck現象原理：

材料右端溫度較高，電子移 動速率快；左端溫度低，電 子移動速率慢。整體而言，

造成由右至左之淨電子流，

最後達到平衡狀態，形成電

▲圖三　Peltier效應示意圖 位差

意圖，當材料兩端點給予一溫度差異

∆ V時，其兩端即產生一電位差∆ V。此

種現象產生之原因可以由圖二加以說 明，在圖二中材料右端溫度較高，因 此其電子平均能量較大，移動速率較 高；而材料左端溫度較低，其電子平 均移動速率較低，整體而言，對此材 料產生一個由右向左之淨電子流。當 電子由右向左流動一定時間後，材料 左端將累積相當數量的電子，使該部 位帶有較多負電，因此在材料兩端形 成電位差，而此電位差將抑制淨電子 流持續由右向左流動，最後達到平衡 狀態，此時可以定義出所謂Seebeck係 數 S=∆

V/ ∆ T（此時 I=0無電流）

。

圖三為 Peltier效應示意圖，此種 熱電效應是將兩個不同種類的材料連 接形成連續通路，此時通入電流後，

在兩材料的連接點將發生一個吸熱、

另一個放熱的特別現象，而此種吸熱 及放熱的現象，可由圖四加以說明。

圖四(a)為金屬導體與N型半導體相連 接之例子，電子由右方金屬導體流入N 型半導體時，只有較高能量之電子能 夠克服能障(E_c

-E

f

)而流入，而這些高能

量電子從N型半導體流入左方之金屬導 體時，並無任何的障礙，因此右方導 體只剩下能量較低之電子，巨觀顯現 之物理現象即是溫度降低（吸熱），而 左 方 金 屬 導 體 則 累 積 較 多 高 能 量 電 子，所顯現之物理現象則是溫度升高

（放熱）。而由圖四(a)亦可看出，在N 型半導體中熱流方向與電子流方向相 同，意即與電流方向相反。圖四(b)則 為P型半導體與金屬導體相接之例子，

此 時 導 熱 之 載 子 ( C a r r i e r ) 為 電 洞

Heat Flow

Heat Flow Cools

Down Cools

Heats Down Up

N-type n<0 e- e- e-e-

h⁺h⁺h⁺ h⁺ P-type

n>0

I I

EF

EF

E_c E_c

Ev

Ev

Heats Up

(a) (b)

Released Heat

Electron Flow

DC Voltage

Source

‘Hole’

Flow

‘Hole’ Flow

‘Hole’ Flow

DC Voltage

Source Electron

Flow

Electron Flow Absorbed

Heat

Absorbed Heat

Released Heat

(a) (b)

▲圖四　(a)電子由右流入N型半導體時，只有高能電子可克服能障(E_c

-E

_f

)流入，

而高能電子從半導體流入左導體時無任何障礙，使右導體剩下低能量電子（溫 度降低），左導體則累積高能電子（溫度升高）→熱流由右向左（與電流方向相 反）；(b)電洞移動原理與(a)相同但方向相反，故對P型半導體而言，熱流由左 向右與電流方向相同

圖五　單獨利用N 型 或 P 型 半 導 體 與 導 線如Cu連接，外加一 直流電源即可作為最 基本之熱電元件

▲

(Hole)，同樣地，當電洞由左方金屬導

體流入P型半導體時，只有高能量電洞 能夠克服能障(E_f

-E

_v

)而流入，而這些高

能量電洞從P型半導體流入右方金屬導 體時，並無任何的障礙，使左方導體 只剩下低能量電洞，造成溫度降低之 吸熱現象，而右方金屬導體累積高能 量電洞，形成溫度提高之放熱現象；

同時圖四中亦可看出對於P型半導體而 言，熱流方向與電洞方向相同，也就 是與電流方向相同。

熱電元件運作原理

熱電元件的運作原理，主要是源 自於利用Peltier效應，圖五即為 Peltier 效 應 最 基 本 的 運 用 。 由圖 五可 以 發

Released Heat

Electron Flow

Absorbed Heat

Released Heat

Absorbed Heat

Released Heat

Absorbed Heat

Released Heat

Absorbed Heat

Released Heat

Pellet Electron

Flow

Absorbed Heat

Released Heat

Absorbed Heat

Released Heat

Absorbed Heat

Released Heat

Absorbed Heat

▲圖六　以並聯方式連接多個N型半導 體組成之熱電元件

▲圖七　以串聯方式連接多個N型半導體 組成之熱電元件

現，只要單獨使用N型或 P型半導體與 一般的銅導線連接，並外加一個直流

( D C )

電 源 ， 即 可 作 為 熱 幫 浦 ( H e a t

Pump)

的基本雛形結構，但由於單一

一個Peltier連接組能夠轉移或運送的熱 量非常有限，因此在實際應用的場合 下，必須要連接多組的熱電材料，才 能提供足夠的輸送功率，而將多組熱 電 材 料 連 接 的 方 法 ， 則 可 能 包 括 並 聯、串聯及N-P交互串聯等三種。

圖六為利用並聯的方式，單獨使 用一種N型或 P型多個熱電半導體所組 成之元件，當電流通入時，元件下方 產生吸熱效應，降低溫度形成冷端，

元件上方放出熱量形成熱端，而將熱 量由下方傳送至上方。此種連接方式 雖然可以提高輸送熱量的能力，但由 於其採用並聯方式，所需要的直流電 流相當大，以典型商用致冷器使用250 組的熱電材料之元件為例，當產生足 夠的熱傳送量時，以並聯方式其所需 電流高達1000安培(A)左右，因此並聯 方式雖然在理論上可行，但是在實際

使用時由於所需電流過高而不適當，

因此商業化熱電元件並不採用此種連 接方式。

另一種連接方式為串聯，如圖七 所示。利用串聯的方式可以避免如並 聯方式所需的高電流，同時熱輸送方 向同樣由下方傳向上方，在理論上亦 具有相當可行性。但串聯方式有一致 命缺點，就是當熱電元件開始運作，

將熱量向上傳送的同時，由於元件上 下端形成一明顯溫差，將有相當可觀 的熱量經由串聯的金屬導線回流至元 件下方，抵銷熱電元件的工作成果，

因此使用串聯方式組成的熱電元件，

效能將大打折扣，同樣並非理想的連 接方法。

目前商業化之熱電元件，皆是採 用第三種所謂的P-N對(P-N Pair)的方式 加以連接組裝，其示意圖如圖八(a)所 示。利用P-N對的連接方法有以下的好 處：1.熱電材料係以串聯方式連結，所 需要的直流電流電壓較為適中，而且 不會因金屬導線造成額外的熱回流，

Released Heat

Absorbed Heat

Released Heat

Absorbed Heat

Released Heat

Absorbed Heat

Multi-couple Configuration Increases Heat-pumping Capacity

(a) (b)

Released Heat

Absorbed Heat

Released Heat

Absorbed Heat

Released Heat

Absorbed Heat

‘Hole’

Flow Electron

Flow

Ceramic Plates (Electrical Insulator)

Copper Tabs (Electrical Conductor)

N-type Semiconductor P-type Semiconductor

Negative (-) Positive (+)

Heat Absorbed (Cold Side)

Heat Rejected (Hot Side) n

n n

n n

p p

p p

p

▲圖八　(a)以N型及P型半導體互相搭配為熱電元件最佳組合；(b)典型商業化熱電元件立體結構示意圖 而減損元件效能；2.利用P型半導體熱

輸送方向與通入電流方向相同、而對 於N型半導體卻相反的特性，儘管電流 流經 P型與 N型半導體時之方向相反，

但熱輸送方向卻相同一致（以本圖之 例為一致向上）。圖八(b)則為一典型之 商 業 化 熱 電 元 件 及 其 立 體 結 構 示 意 圖。

熱電材料種類與物理特性 之要求

前文曾提到，19世紀時自然學家 即發現材料的熱電現象，此種特性可 說是各種材料都具備，但在熱電轉換 效率上有所差異。早先由於材料技術 上的限制，最初只有金屬或合金材料 被拿來研究其熱電特性，但由於其熱 電轉換效率實在太差，因此科學界對 於熱電材料之研究熱情逐漸消失；但 是到了1950年代開始，由於化合物半 導體研究的興起，其多變的組成及可

操控的物理特性，非常符合熱電材料 的物理特性需求，因此再度興起對於 熱電材料研究之熱潮。

隨著數十年來的研究，目前對於 熱電材料的性能指標，是以材料的 ZT 值來表示；Z是材料的熱電優值(Figure

of Merit)，其定義為Z=S

²

σ / κ，其中 S=

∆ V/ ∆ T，即為材料的Seebeck係數，σ為

材料之導電性(Electric Conductivity)，κ 為材料之導熱性(Thermal Conducti-

vity)，而T是絕對溫度K；理想的熱電

材料擁有較高的ZT值，意即需具備高 的 Seebeck係數與高導電性，但導熱性 卻很差。圖九為典型的金屬、半導體 及絕緣體三大類材料之Seebeck係數、

導電性σ與導熱性κ變化趨勢；由圖中 可發現，金屬材料雖然具有很高的導 電 性

σ

， 但 其 導 熱 性 卻 太 大 ， 同 時

Seebeck係數S也不理想，不適合做為

熱電材料；同樣地，絕緣體雖然在導 熱性與 Seebeck係數兩項符合需求，但

▲圖十　Bi₂

Te

₃、Skutterudite、PbTe、

SiGe等熱電材料ZT值與溫度變化之關係

Insulator Semiconductor Metal 10¹⁹ cm^-3

S

S²σ

Insulator Semiconductor Metal λe

λL

σ

▲ 圖 九 　 典 型 的 金 屬 、 半 導 體 及 絕 緣 體 三 大 類 材 料 其Seebeck係數、導電性σ與導熱性κ之變化趨勢

其導電性實在太差，亦非理想之熱電 材料；而在另一方面，半導體由於具 有適當之導熱性與Seebeck係數，且可 透過摻雜原子(Doping)技術改變其電子 能帶結構(Electron Band Structure)，進 而操控其導電特性，最能符合熱電材 料條件要求，因此是目前研究的主要 方向。以現階段來說，典型的幾種熱 電 材 料 有 以 下 幾 種 ： B i₂

Te

₃、 S k u t -

terudite、PbTe、SiGe、Fe

₂

Si…等。

圖十為前述幾種熱電材料其ZT值 與溫度變化之關係圖，由圖中可看出 在低溫區間內（室溫至100°

C），是以 Bi

2

Te

3材料 ZT值最高，大約在1.0~ 1.1 之間，但過了此區間範圍，Bi₂

Te

₃之ZT 值亦快速下降；此外如Skutterudite、

PbTe

、SiGe等其他幾種熱電材料，則 需要在較高溫度區間(400°

C~700 ° C)內

方具有較大的ZT值，顯示在不同溫度 範圍的使用條件下，應選用適合的熱 電材料，方可達到最大的效能。以下

則針對目前商用熱電元件最常使用的

Bi

₂

Te

₃及最新發展的Skutterudite兩種熱 電材料做進一步說明。

一、Bi₂Te₃熱電材料

Bi

2

Te

3是目於在較低溫度區間內效 能最佳的熱電材料，因此是目前市面 上熱電致冷元件最常使用的材料。由 於熱電元件中需搭配使用N型及P型兩 種半導體，現階段主要是摻雜同為V族 及VI族的Sb（銻；Antimony）與Se

（硒；Selenium）使其形成 N型及P型半 導體，因此一般文獻上所寫的Bi₂

Te

3， 事實上是(BiSb)₂

(TeSe)

₃的簡單表示。

Bi

₂

Te

₃其晶體結構是Rhombohedric方 式，具有(R3m)空間群對稱，事實上亦 可 將 其 視 為 一 種 六 方 最 密 堆 積

(Hexagonal)，較為容易理解，如圖十

一所示。Bi₂

Te

3的Hexagonal結構是以 下列順序，沿著c軸堆疊起來的層狀結 構：

1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2

0.00 100 200 300 400 500 Co/Fe Antimonide Based Skutterudite

ZT PbTe

Alloy

SiGe Alloy Bi2Te3 Alloy

600 700 Temperature (°C)

－Te⁽¹⁾－Bi－Te⁽²⁾－Bi－Te⁽¹⁾－

Bi

₂

Te

₃中的每一個 Hexagonal Cell 具有三組以上的排序，而Te⁽¹⁾－Te⁽¹⁾之 間的鍵結係以凡得瓦耳(Van der Waals) 力連接，鍵結強度十分脆弱，而Te⁽¹⁾－

Bi與Te

⁽²⁾－Bi則屬於鍵結強度較高之共 價 鍵 與 離 子 共 價 鍵 ； 同 時 B i₂

Te

3的

Hexagonal Cell中 a軸與 c軸長度差異甚

大(a=4.384Å ; c=30.487Å)，因此除了 在機械性質上，造成Bi₂

Te

₃材料在垂直

c軸方向（即平行Basal Plane方向）十

分容易劈裂(Cleavage)之外，Bi₂

Te

3在 物裡性質方面，亦具有強烈之異向性

(Anisotropy)，如 Bi

₂

Te

3整體上是完整 的結晶體，因此具有相當導電性；而

另一方面，其以凡得瓦耳力連接之層 狀結構，可發揮阻礙傳熱之效果，由 於此種特性，Bi₂

Te

₃十分適合作為熱電 材料。

二、Skutterudite 熱電材料

Skutterudite是一種新發展的熱電

材料，其名字係源自於挪威一個名叫

Skutterud的小鎮，自然學家在該處發

現了CoAs₃的化合物，Skutterudite即是 將 CoAs₃再摻雜加入適合的原子所合 成的熱電材料，然而隨著後續研究結 果顯示，並非僅有CoAs₃可做為Skut-

terudite的基材(Based Material)，只要具

有與CoAs₃相同晶體結構的材料，均可 藉由摻雜其他原子的方式來合成熱電 材料。圖十二為CoSb₃晶體結構示意 圖，每一個單位晶胞(Unit Cell)裡有32 個原子，●所在位置可為Co、Rh或

Ir，而○的位置則可為 P、As或 Sb。

2.60Å Van der Waals Te¹

Te¹

Te¹ Bi Te² Bi

120°

a a c

a=4.384Å

30.487Å

1.74Å Covalent-ionogen 2.04Å Covalent 2.04Å Covalent 1.74Å Covalent-ionogen

▲圖十一　Bi₂

Te

₃晶體結構示意圖

Co Sb

▲圖十二　CoSb₃晶體結構示意圖，每 一個單位晶胞(Unit Cell)裡有32個原子

由圖中可看出，每一個單位晶胞裡有8 個次晶胞(Subcell)，且在這8個次晶胞 中構成2個空穴位置（如箭頭所示），

可提供摻雜原子(Doping Atom)填充。

沒有經過摻雜步驟的Skutterudite晶雖 然其導電度與Seebeck係數均佳(S~200

µ V/K)，但其導熱性高達100W/mK，

因此還不是理想的熱電材料。用來摻 雜Skut-terudite的適合原子通常是一些 質 量 較 重 的 稀 土 元 素 ( R a r e - e a r t h

Atom)，如 La、Sm或Nd等。當這些摻

雜原子進入Skutterudite晶體結構後，

即跑到如前所述單位晶胞空隙處，摻 雜 原 子 有 如 身 陷 牢 籠 (Cages in the

Lattice)並同時在該處振動，使得Skut- t e r u d i t e

晶體中負責傳熱任務的聲子

(Phonon)在該處產生散射(Scattering)，

進而降低其導熱性能。圖十三顯示尚

未摻雜原子的 IrSb₃其導熱

κ值可達 1 0 0 ~ 1 0 0 0 m W / c m - K

（ 即

10~100W/mK

），但在摻入La、Sm或

N d

後 ， 其 導 熱

κ

值 則 明 顯 下 降 至

10mW/cm-K（即1W/mK），降幅十分

驚 人 。 經 摻 雜 其 它 原 子 步 驟 之 S k u t -

terudite熱電材料在導電性變化不大，

但導熱性明顯下降後，即可具有較佳 之熱電特性。

熱電元件效率與熱電材料 ZT值之關係

圖十四為熱電元件運作時之示意 圖，可看出當電流通入時，元件上方 與下方因Peltier效應分別吸熱（冷端；

Cold End） 與 放 熱 （ 熱 端 ； Hot End）；然而由於熱電材料本身具有電

阻，當電流流過時，本身也會產生電 阻發熱(Joule’s Heating)，分別向熱端 與冷端擴散；此外，由於元件上下方 因冷熱溫差形成溫度梯度，此時會有 自然發生的熱擴散，將熱能由高溫處

（下方）回流至低溫處（上方）；因此 在熱電元件實際運作時，真正能夠做 為有效熱輸送(Heat Pump)的淨量Q_net 為：

Q

_net

=ST

_c

I-1/2(I

²

R)- κ∆ T

其中，S為P型與N型半導體之Seebeck 係數差異

T

_c為冷端之絕對溫度

∆T為T

_h

-T

_c，即熱端與冷端溫度差 1000

100

10

1

0.1

0.01

0.001

IrSb3

K_min

Temperature (K)

1 10 100 1000

Lattice Thermal conductivity (mW/cm K)

Ir4LaGe3Sb9

Ir4SmGe3Sb9

Ir4NdGe3Sb9

▲圖十三　Skutterudite熱電材料在摻雜 稀土元素前後其導熱性

κ之變化

異

R為R

_n

+R

_p，即N型與 P型熱電材 料之電阻總和

I：通入之電流

第一項熱輸送來自Peltier效應所吸 收的熱量；第二項為因電阻發熱回流 至冷端的熱量；第三項為因溫度梯度 所造成熱回流量。因此由上式可知，

熱電元件有一最大的輸入電流，但並 非輸入電流越大，所能輸運的熱能也 隨之變大。如輸入電流過大，上式中 的第二項將以平方的速率增加，反而 使Q_net減少甚至降至零。此外，熱電元 件之運作效率φ_opt為Q_net

/IV，IV為輸入

電流的能量，而φ_opt與材料 ZT值之關係

為下式：

其中，T_H：熱端溫度

T

C：冷端溫度

T

M：熱冷端之平均溫度

Z：熱電優值

可 知 熱 電 元 件 中 的 材 料 Z T 值 越 大，對於元件的效率將具有明顯提昇 的效果。

典型商業熱電元件介紹

圖十五為幾種俄羅斯 Kryotherm公 司生產之典型熱電元件，元件的外型

P Type

N Type

Heat Dissipated to Heat Sink Conducted Heat 1/2-J Heat 1/2-J Heat Heat Absorbed from Environment (Cooling)

Peltier Cooling

Peltier Heating

DC Source

Current

Conductors T_c (Cold End) Q_net

Q_d

T_h (Hot End)

V

圖 十 四 　 熱 電 元 件 運 作 示 意圖

圖十五　各 種形狀之熱電 元件

▲ ▲

φ

opt

= T

_C

[ (1 + ZT

_M

)

^1/2

– T

_H

/T

_C

]

(T

_H

– T

_C

) [ (1 + ZT

_M

)

^1/2

+ 1]

表一　俄羅斯Kryotherm公司單層熱電元件型錄其中一部份 Module I_max(A) Q_max(W) V_max(V) ∆T_max(K) Dimension

A (mm) B (mm) C (mm)

TB-7-2,0-2,5 7,6 4,2 0,9 72 14,8 14,8 4,9

TB-17-2,0-2,5 7,6 10,2 2,2 72 22,0 22,0 4,9

TB-31-2,0-2,5 7,6 18,7 4,0 72 30,0 30,0 4,9

TB-71-2,0-2,5 7,6 43,0 9,1 72 40,0 40,0 4,9

TB-127-2,0-2,5 7,6 76,0 16,3 72 48,0 48,0 4,9

TB-127-2,0-1,65 11,3 111,0 15,9 70 48,0 48,0 4,0

可 為 圓 形 、 方 形 或 甚 至 為 多 層 之 結 構，多層結構即是將上層元件的熱端 與下層元件之冷端相接，如此層層堆 疊後，在多層元件最上方與最下方可 達 到 的 最 大 溫 差 ， 甚 至 可 能 超 過

200 ° C。表一為其單層熱電元件型錄之

其中一小部份，型錄中之A、B及C為 熱電元件長、寬及厚度之尺寸，而元 件代號TB-AAA-BB-CC代表意義如 下：TB為熱電模組(Thermoelectric

Battery/Module)

之意；AAA為元件中

P-N熱電材料組的數目，通常數目越多

元件的熱輸運量將越大；BB為元件中 熱電材料塊的長/寬尺寸；而 CC為元 件中熱電材料塊的高度（或厚度）；

因此以TB-127-2,0-2,5元件為例，該元 件中具有127對P-N材料組；而熱電材 料 截 面 之 長 寬 為 2 m m 、 材 料 高 度 為

2.5mm。

此外，由表一亦可找出各種型號 熱 電 元 件 之 性 能 規 格 I_{m a x}

( A )

、

Q

_max

(W)、V

_max

(V)

與∆

T

_max

(K)，其意義

說明如下：

I

_max：當熱電元件達到最大致冷力

( Q

m a x

)時所需要的電流，當電流低於

I

_max時，元件無法發揮最大致冷力，但 電流高於 I_max時，元件內部溫度因電阻 發熱而升高，反會降低致冷能力。

Q

max：熱電元件冷熱兩端溫差與 冷端負載(Load)相關，當負載小時溫差 大。負載增加時則兩端溫差縮小；當 冷熱端溫差為零，且電流值為I_max時，

此時負載則為Q_max。當熱電元件在使用 時冷端一定有負載，因此實際上不可 能達到Q_max之性能。

V

max：熱電元件冷熱端達到最大 溫差值(

∆ T

max

)時所需要的電壓。電壓

低於V_max時，元件無法達到最大溫差，

當電壓超過V_max時，元件內部溫度升 高，冷熱端溫差反而減少。

∆T

_{m a x}： 當 熱 電 元 件 冷 端 負 載 為

零，且電壓為V_max時，此時冷熱兩端溫 差為最大。由於熱電元件使用時冷端 一定有負載，因此如同Q_max般，實際使 用不可能達到∆

T

max最大溫差。

假設目前有一需加以冷卻之熱源

（如CPU），其發熱瓦數為60W，倘若 選擇 Q_max為 60W之熱電元件，則絕對

無法勝任該冷卻需求，因Q_max是在冷端 負載為零時之最大致冷力，一般熱電 元件在實際使用時，由於冷端負載之 故，通常只能發揮最大致冷力的50%

左右，因此以發熱瓦數60W之熱源來 說，通常必須選擇規格為Q_max為120W 以 上 之 熱 電 元 件 ， 方 可 滿 足 冷 卻 需 求。

熱電元件之應用

由於熱電材料可將熱與電兩種能 量互相轉換，因此其用途可分為冷卻/

控溫(Cooler)及發電儲能(Generator)兩 大類。前者是對熱電元件通入電流，

使其產生熱輸送的效應，可將冷端貼 於欲散熱之晶片或元件上，而熱端再 連接散熱器(Heat Sink)將熱傳出；而後 者則是在熱電元件兩端製造溫差，即 可產生電流加以應用或儲存。

目前熱電元件在致冷之用途，已 運用於光通訊放大器中雷射二極體的 控溫，如圖十六。由於雷射二極體非 常敏感對於溫度穩定度要求高，若溫

度有所變化，則發射之雷射光波長將 隨之波動，而熱電致冷器可將溫度控 制在

± 0.01 ° C；同時由於整個光通訊放

大器體積相當小，亦僅熱電致冷器方 可符合此項需求；此外，熱電致冷器 亦已應用在血液透析、神經刺激器等 生物醫療器材上，同樣也是利用於其 體積小、控溫精準的特點；在民生產 品方面，熱電致冷器亦已廣泛用於攜 帶型冰箱（包括車用冰箱）、防潮箱及 冷熱兩用飲水機等方面。

在發電/儲能用途方面，熱電元件 早已用在人造衛星、潛艇核子反應爐 等 太 空 軍 事 用 途 ， 同 時 ， 日 本 精 工

(Seiko)已推出利用熱電元件與充電電

池為電源之手錶，其利用人體體溫與 環境溫度的差異所輸出電力，即可維 持手錶的長時間運轉，如圖十七，據 稱該手錶只要在手腕上佩帶一天，其 所儲存的電力即可供應手錶運行一個 月之久，顯示熱電發電器已逐漸走入 民生產業中。此外，日本 Toyota等汽 車公司也正進行使用熱電元件進行汽

Metal Lid

Butterfly Can

Optical Fiber Silicon

Platform TEC

▲圖十六　熱電致冷元件用於光通訊放大器之冷卻與溫控

車 引 擎 廢 熱 加 以 回 收 利 用 發 電 之 研 究，顯示只要有熱能存在的位置，就 有熱電元件應用的空間。

結語

資訊電子產品不斷朝向高功能及 輕薄短小發展，元件發熱密度愈來愈 高，散熱或溫控成為重要課題。熱電 致冷器具體積小、安靜、環保、控溫 精 準 之 特 點 ， 目 前 已 用 於 光 電 耦 合 器、雷射二極體、血液透析等光電生 醫產業。但由於現階段熱電材料在效 率上的瓶頸(ZT~1)，使熱電元件效能 還不夠理想，尚未能大量運用於各種 產業上，因此開發或改良現有熱電材 料，使其突破 ZT~1性能瓶頸，實為當 務之急。若未來能成功開發高性能熱 電材料，除了對未來高速運算、微機 電及其他小型高功能元件冷卻、溫控 產生革命性影響外，更能在能源再生 利用的環保觀念下，以熱電元件將廢

熱回收，提供手錶、計數器或心律調 整器及小型陰極保護之電源，以增進 人類的福祉，將極具正面之意義。

參考文獻

1. CRC Handbook of Thermoelectrics, Edited by D.M.Rowe, CRC Press LLC., USA, 1995.

2. H. J. Goldsmid, Thermoelectric Refrigeration, Pion Ltd., London, 1986.

3. J. R. Wiese and L. Muldawer, J. Phys. Chem.

Solids, 15, 13, 1960.

4. R. Buist, A new methodology for testing thermo- electric materials and devices, 11^thInternational Conf. On Thermoelectric, Oct., 1992.

5. G. Slack, in Solid State Physics, 1-71 (eds H.

Ehrenreich, F. Seitz & D. Turnbull ) Series 34 Academic, New York, 1979.

6. H. Beyera, J. Nurnusa, H. B.ottnera, A.

Lambrechta, E. Wagnera and G. Bauerb, Physica E 13,2002, p.965.

7. A. F. Ioffe, Semiconductor Thermoelements and Thermoelectric Cooling, Infosearch, London, 1957.

8. B. Mathiprakasam and D. Fiscus, Development of Thermoelectric Freezing Point Apparatus, in Proc.

6^thInt. Conf. Thermoelectric Energy Conversion, Arlington, Texas, 1986.

9. T. Wartanowicz and A. Czarnecki, Cryosurgical thermoelectric destroyer, in Proc. 10^thInt. Conf.

Thermoelectrics, Cardiff, 1991.

圖十七　日本Seiko 採用熱電Generator 之手錶

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