2024熱電材料行業(yè)未來趨勢(shì)預(yù)測(cè)及前景展望

• 黃文玉 2024年2月19日 來源：互聯(lián)網(wǎng) 535 29
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隨著能源危機(jī)和環(huán)境污染問題的加劇，熱電材料作為一種高效、環(huán)保的能源轉(zhuǎn)換方式，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)廢熱發(fā)電、汽車尾氣余熱回收、太陽能光電光熱復(fù)合發(fā)電、無氟制冷等領(lǐng)域。

近年來，隨著科技的發(fā)展和研究手段的更迭，熱電材料的研究方向逐漸向低維化、納米化發(fā)展，同時(shí)有機(jī)熱電材料等新興材料也迅速普及并蓬勃發(fā)展。其中，IVA族元素碲因其獨(dú)特的孤對(duì)電子結(jié)構(gòu)和大能帶簡(jiǎn)并(Nv=4)被認(rèn)為是一種有前途的熱電材料元素。

熱電材料是一種能將熱能和電能相互轉(zhuǎn)換的功能材料，基于塞貝克效應(yīng)、珀耳帖效應(yīng)和湯姆遜效應(yīng)等熱電基本效應(yīng)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。隨著能源危機(jī)和環(huán)境污染問題的加劇，熱電材料作為一種高效、環(huán)保的能源轉(zhuǎn)換方式，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)廢熱發(fā)電、汽車尾氣余熱回收、太陽能光電光熱復(fù)合發(fā)電、無氟制冷等領(lǐng)域。

熱電材料產(chǎn)業(yè)鏈包括原材料供應(yīng)、研發(fā)生產(chǎn)、產(chǎn)品銷售等環(huán)節(jié)。隨著行業(yè)的發(fā)展，熱電材料產(chǎn)業(yè)鏈不斷完善，各個(gè)環(huán)節(jié)之間的協(xié)作更加緊密。同時(shí)，一些領(lǐng)先的企業(yè)開始加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)鏈整合，通過垂直整合或橫向聯(lián)合，提高整體競(jìng)爭(zhēng)力和市場(chǎng)份額。對(duì)于遙遠(yuǎn)的太空探測(cè)器來說，放射性同位素供熱的熱電發(fā)電器是的供電系統(tǒng)。已被成功的應(yīng)用于美國宇航局發(fā)射的“旅行者一號(hào)”和“伽利略火星探測(cè)器”等宇航器上。利用自然界溫差和工業(yè)廢熱均可用于熱電發(fā)電，它能利用自然界存在的非污染能源，具有良好的綜合社會(huì)效益。

利用帕爾帖效應(yīng)制成的熱電制冷機(jī)具有機(jī)械壓縮制冷機(jī)難以媲美的優(yōu)點(diǎn)：尺寸小、質(zhì)量輕、無任何機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部分，工作無噪聲，無液態(tài)或氣態(tài)介質(zhì)，因此不存在污染環(huán)境的問題，可實(shí)現(xiàn)精確控溫，響應(yīng)速度快，器件使用壽命長。還可為超導(dǎo)材料的使用提供低溫環(huán)境。另外利用熱電材料制備的微型元件用于制備微型電源、微區(qū)冷卻、光通信激光二極管和紅外線傳感器的調(diào)溫系統(tǒng)，大大拓展了熱電材料的應(yīng)用領(lǐng)域。因此，熱電材料是一種有著廣泛應(yīng)用前景的材料，在環(huán)境污染和能源危機(jī)日益嚴(yán)重的今天，進(jìn)行新型熱電材料的研究具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義。

熱電材料行業(yè)市場(chǎng)現(xiàn)狀分析

中國熱電材料行業(yè)市場(chǎng)正在蓬勃發(fā)展，受到政府支持，投資不斷增加，增長速度不斷加快。市場(chǎng)規(guī)模已經(jīng)達(dá)到了280億元，并以每年20%的速度不斷增長。主要產(chǎn)品包括電阻線、電熱元件、熱電導(dǎo)體、熱電池、熱電棒、電熱膜等。隨著新能源和可再生能源的興起，風(fēng)能、太陽能、生物能等環(huán)保能源已經(jīng)成為能源發(fā)展的趨勢(shì)。在這個(gè)背景下，熱電材料作為一種環(huán)境友好的能源轉(zhuǎn)換方式，將有更廣闊的應(yīng)用前景。同時(shí)，隨著技術(shù)的進(jìn)步和研究的深入，新型熱電材料的研究和應(yīng)用也將不斷涌現(xiàn)，為解決能源危機(jī)和環(huán)境污染問題提供更多可能性。

雖然其優(yōu)點(diǎn)眾多，但利用熱電材料制成的裝置其效率(<10%)仍遠(yuǎn)比傳統(tǒng)冰箱或發(fā)電機(jī)小。所以若能大幅度提升這些熱電材料的效率，將對(duì)廣泛用于露營的手提式致冷器，太空應(yīng)用和半導(dǎo)體晶片冷卻等產(chǎn)生相當(dāng)重要的影響。家庭與工業(yè)上的冷卻將因熱電裝置無運(yùn)動(dòng)的部件，是堅(jiān)固的，安靜的，可靠的，且避免使用會(huì)破壞臭氣層的含氯氟碳?xì)浠衔铩犭姴牧闲枰懈邔?dǎo)電性以避免電阻所引起電功率之損失，同時(shí)亦需具有低熱傳導(dǎo)系數(shù)以使冷熱兩端的溫差不會(huì)因熱傳導(dǎo)而改變。

根據(jù)中研普華產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《2022-2027年中國熱電材料行業(yè)市場(chǎng)全面分析及發(fā)展趨勢(shì)調(diào)研報(bào)告》顯示：

隨著納米科技相關(guān)研究蓬勃發(fā)展，熱電材料應(yīng)用的相關(guān)研究亦是歐美日各國在納米科技中全力發(fā)展的重點(diǎn)之一，不論在理論方面或?qū)嶒?yàn)方面均有很大的研究空間，納米材料具有比塊材更大的界面，以及量子局限化效應(yīng)，故納米結(jié)構(gòu)的材料具有新的物理性質(zhì)，產(chǎn)生新的界面與現(xiàn)象，這對(duì)提升ZT(熱電優(yōu)值)值遭遇瓶頸的熱電材料預(yù)期應(yīng)有突破性的改善，故納米科技被視為尋找高ZT值熱電材料的希望。

用熱電材料制成納米線，薄膜與超晶格，確能提升熱電勢(shì)S與熱電效率，使得ZT值難以提升這一困境的突破綻露了一線曙光,亦再次帶動(dòng)了全球研究熱電材料的熱潮，而且由理論或?qū)嶒?yàn)方面均已證實(shí),具有納米結(jié)構(gòu)的熱電材料要比塊材有更好的熱電性質(zhì)。因此，近全世界正投入大量人力、物力于熱電材料的研發(fā)上,希望能制造出高ZT值的熱電材料。

熱電材料行業(yè)未來趨勢(shì)預(yù)測(cè)及前景展望

熱電材料塞貝克效應(yīng)和帕爾帖效應(yīng)發(fā)現(xiàn)距今已有100余年的歷史，無數(shù)的科學(xué)家已對(duì)其進(jìn)行了深入而富有成效的研究和探索，取得了輝煌的成果。隨著研究的不斷深入，相信熱電材料的性能將會(huì)進(jìn)一步提高，必將成為我國新材料研究領(lǐng)域的一個(gè)新的熱點(diǎn)。

利用傳統(tǒng)半導(dǎo)體能帶理論和現(xiàn)代量子理論，對(duì)具有不同晶體結(jié)構(gòu)的材料進(jìn)行塞貝克系數(shù)、電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率的計(jì)算，以求在更大范圍內(nèi)尋找熱電優(yōu)值ZT更高的新型熱電材料。從理論和實(shí)驗(yàn)上研究材料的顯微結(jié)構(gòu)、制備工藝等對(duì)其熱電性能的影響，特別是對(duì)超晶格熱電材料、納米熱電材料和熱電材料薄膜的研究，以進(jìn)一步提高材料的熱電性能。對(duì)已發(fā)現(xiàn)的高性能材料進(jìn)行理論和實(shí)驗(yàn)研究，使其達(dá)到穩(wěn)定的高熱電性能。加強(qiáng)器件的制備工藝研究，以實(shí)現(xiàn)熱電材料的產(chǎn)業(yè)化。

熱電材料領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新和突破是推動(dòng)行業(yè)發(fā)展的重要?jiǎng)恿?。研究者們正在努力提高熱電材料的?yōu)值(zT值)，通過探索新材料、新結(jié)構(gòu)和新工藝，不斷優(yōu)化熱電性能。同時(shí)，隨著納米技術(shù)、低維材料等領(lǐng)域的快速發(fā)展，熱電材料的研究方向也逐漸向低維化、納米化發(fā)展，為行業(yè)帶來了更多的機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

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