固态冷却和发电早已成为复杂的热量管理和能量问题的解决方案。为了解决这些热能问题，热电模块已经使用几十年了。热电模块的核心部件是热电偶，一个热电偶包括用一块金属板连接起来的两个不同半导体(是指用p型和n型来描述两种材料中不同的导电机制)。端点的电气连接形成一个完整的导电回路，当有电流流过时，就会产生热电制冷(tec)现象，在这种情况下，热电偶一端变冷另一端变热，这就是所谓的“帕尔帖(peltier)”效应。当该热电偶放入一个有温度梯度(即顶部比底部热)的环境中时就会产生热电发电(teg)现象，在这种情况下，该装置产生电流，将热能转换为电能，这就是所谓的塞贝克效应，如图1所示。

    实际应用中，从热电材料梨晶(boule)上切割下来的大量p型、n型颗粒和热电偶组合在一起(电气上串联，热学上并联)形成一个tec或teg。根据其尺寸和制作方法，传统模块被称为“散装”模块。这种装置很早并一直用于航空航天领域中的发电，以及仪表、通讯和其他大量专业应用中的冷却和温度控制。

    薄膜热电技术

    虽然热电模块具有固态的优点，但是也有诸多缺点，比如普遍效率低、易损坏且体积大。传统热电模块的大尺寸和离散特性严重制约了它们的实现。最近业界有大量开发工作集中在薄膜热电器件上。薄膜热电材料可用传统的半导体沉积方法生长，并且可以使用传统半导体微加工技术来加工。最终的器件比传统模块小得多，并有希望直接集成到现代的制造方法中。图2给出了薄膜tec和传统散装tec的比较。薄膜tec的长和宽比传统tec小6倍，高度小18倍。因此，薄膜tec的体积比传统tec约小110倍。

    虽然比较薄膜和散装热电模块的大小比较有意思，但是比较其性能显得更为有用。描述一个热电模块性能最常用的方法就是它的负载线。在固定运行电流和特定参考温度下，将模块顶部、底部之间能达到的温度差δt，标绘为能量q的函数，这样就产生了负载线，能量q是热电模块能从温度梯度获得的能量。图3显示了nextreme和散装装置的负载线，都是在参考温度为25℃时测量的。在本例中，模块的特征负载线显示的是在其最大运行电流(imax)时的情况。在imax条件下，q为零时的δt被称为δtmax，δt为零时汲取的能量被称为qmax。虽然δtmax和qmax都不是设备实际的运行条件，但是它们确定了设备的性能范围(performance envelope)数据，并且经常被用来作为比较的依据。

    图1：基于帕尔帖效应用作tec(左)和基于赛贝克效应用作teg(右)的pn结原理图。

    图2：散装tec与nextreme tec的形状和大小比较。

    图3：散装tec和薄膜tec各自的负载线。

    薄膜材料：热电性能的新典范

    乍一看，图3所示的性能比较本身就很有意思—薄膜tec汲取的能量是散装器件的4倍，尽管它最高只有60%的温差。然而，如果我们将尺寸差异考虑进去，薄膜tec的内在性能着实令人惊讶。薄膜tec在一张纸的厚度上能有最大40℃的温差(δtmax)！在一块纸屑的面积上它能最大汲取约16瓦(qmax)的能量。这里没有显示散装和薄膜器件各自的响应时间。然而，散装器件的热响应时间以秒计，而薄膜tec的响应时间由于其尺寸小而以毫秒来计。

    图4显示了实测的散装和薄膜tec的负载线，这里再次计算以说明其尺寸性能差异。在这种情况下，δt除以获得该温差的厚度，q除以获得该热量的面积。换句话说，纵轴代表了该装置在其厚度上能够控制的温度梯度，横轴表示该装置在该区域上产生的功率密度。表1总结了散装和薄膜tec的完整对比。

    表1：传统tec和薄膜tec的室温性能比较。

    图4中的对比描述了由薄膜tec提供的一种新的运行机制。在冷却模式下，薄膜热电装置提供了空前的能量密度汲取能力(q/面积)和非凡的温度梯度(δt/h)。同样，在发电模式下这些装置也达到了无以伦比的性能特征。