热电材料 “智” 造局·第二篇：热电材料的“KPI”
选热电材料时，大家最关心的肯定是热电转换效率，而热电材料的性能优劣通常用无量纲的热电优值（ZT）来衡量。
无量纲的热电优值（ZT）越高，材料的热电转换效率就越强，其表达式为：
公式中，有三个关键物理参量：
Seebeck 系数(S)、电导率(σ) 、热导率(κ)，S²σ 也称为材料的功率因子(PF)。
从公式中可以发现，优异的热电材料需要同时具有大的Seebeck 系数(S)、高的电导率(σ) 以及低的热导率(κ)。就像要求一个人跑步速度要快(高S)，耐力要好(高σ)，但同时身体要尽量不发热(低κ)。这也给热电材料性能优化带来了极大的挑战，原因在于在固体材料中，这些物理参数之间存在强烈的耦合。
Seebeck 系数
表征Seebeck效应强弱的物理量称为Seebeck系数，单位通常为μV/K。
由于ZT值与Seebeck系数的平方成正比，提高Seebeck系数对提升材料热电性能具有重要意义。在半导体热电材料中，Seebeck系数主要受能带结构、载流子散射机制以及掺杂水平等因素的影响。
热导率
热导率是物质导热能力的量度，其单位是W/(m·K)。低的热导率是维持热电材料两端温差、保证其高效工作的前提。
在固体材料中，材料导热主要来自三方面的贡献：
载流子导热
载流子导热，与电导率近似呈正比关系;
晶格载热
晶格载热部分，主要受材料微观结构和晶体结构无序度的影响;
双极热导
在部分能隙较窄、载流子浓度低的材料体系中，尤其是在较高温度下，由于电子的热激发，很容易产生电子和空穴混合导电行为，称之为本征激发。
而在电子和空穴复合的过程中，会释放出相当一部分的热量，这种由本征激发产生的热量传递被称作双极热导，它不仅会增加总热导率，也会因为电子和空穴的 Seebeck系数符号相反,二者的正负补偿会显著劣化材料总的Seebeck系数，使 PF 大幅度降低。
因此，在实际应用过程中应尽量避免热电材料的本征激发行为。
如前所述，在热导率的三个主要组成部分中，仅有晶格热导率(κʟ)为相对独立的参数，对其进行调控也是降低总热导率、优化热电性能的重要手段。
电导率
电导率衡量热电材料对电的传导能力，其物理单位为S/m。优良的电导率能够保障热电材料产生的电能尽可能不被自身所消耗。
高的载流子浓度(n)和载流子迁移率(μ)是热电材料获得高电导率的先决条件。
半导体中有电子和空穴两种主要载流子,在热电研究领域通常用cm¯³作为载流子浓度的度量单位。
热电性能的主要参数随载流子浓度的变化关系示意图
上图给出了影响材料热电性能的主要参数随载流子浓度(n)的变化关系示意图。随着载流子浓度(n)的增加,材料的电导率(σ)和载流子热导率(κᴇ)逐渐增加，但Seebeck系数(S)逐渐降低，而晶格热导率(κʟ)受载流子浓度(n)影响较小，双极热导率(κʙ)在本征激发后随电子、空穴浓度的增加而增大。
理想热电材料的最佳载流子浓度(n)绝大部分处于10¹⁹~10²⁰cm¯³，通常为重掺杂的简并半导体。