المواد الحرارية الكهربائية

التأثير الحراري الكهربائي
مبادئ التأثير الحراري الكهربائي تأثير سيبيك تأثير بيلتييه تأثير تومسون Seebeck coefficient Ettingshausen effect Nernst effect
Applications Thermoelectric materials Thermocouple Thermopile Thermoelectric cooling Thermoelectric generator Radioisotope thermoelectric generator Automotive thermoelectric generator
v t e

تظهر المواد الحرارية الكهربائية ^{[1] [2]} التأثير الحراري الكهربائي في شكل قوي أو مناسب.

يشير التأثير الكهروحراري إلى الظواهر التي يؤدي فيها الفرق في درجة الحرارة إلى خلق جهد كهربائي أو يؤدي التيار الكهربائي إلى خلق فرق في درجة الحرارة. تُعرف هذه الظواهر بشكل أكثر تحديدًا باسم تأثير سيبيك (إنشاء جهد من فرق درجة الحرارة)، وتأثير بيلتييه (قيادة تدفق الحرارة بتيار كهربائي)، وتأثير تومسون (التسخين أو التبريد القابل للعكس داخل موصل عندما يكون هناك تيار كهربائي وتدرج في درجة الحرارة). في حين أن جميع المواد لها تأثير كهروحراري غير صفري، إلا أنه في معظم المواد يكون صغيرًا جدًا بحيث لا يكون مفيدًا. ومع ذلك، فإن المواد منخفضة التكلفة التي لها تأثير كهروحراري قوي بدرجة كافية (وخصائص أخرى مطلوبة) تعتبر أيضًا للتطبيقات بما في ذلك توليد الطاقة والتبريد . تعتمد المادة الكهروحرارية الأكثر استخدامًا على تيلوريد البزموت ( Bi
₂تي
₃).

تُستخدم المواد الحرارية الكهربائية في الأنظمة الحرارية الكهربائية للتبريد أو التدفئة في التطبيقات المتخصصة، ويتم دراستها كوسيلة لتجديد الكهرباء من الحرارة المهدرة. ^[3] لا يزال البحث في هذا المجال مدفوعًا بتطوير المواد، في المقام الأول في تحسين النقل والخصائص الحرارية الكهربائية. ^[4]

يتم تحديد فائدة مادة ما في الأنظمة الحرارية الكهربائية من خلال كفاءة الجهاز. يتم تحديد ذلك من خلال الموصلية الكهربائية للمادة ( σ ) والموصلية الحرارية ( κ ) ومعامل سيبيك (S)، والتي تتغير مع درجة الحرارة ( T ). يتم تحديد أقصى كفاءة لعملية تحويل الطاقة (لكل من توليد الطاقة والتبريد) عند نقطة درجة حرارة معينة في المادة من خلال رقم الجدارة للمواد الحرارية الكهربائية ، المعطى بواسطة ^{[1] [5] [6]}${\displaystyle zT}$$${\displaystyle zT={\sigma S^{2}T \over \kappa }.}$$

كفاءة الجهاز الحراري الكهربائي لتوليد الكهرباء تعطى بواسطة ، وتعرف على أنها${\displaystyle \eta }$$${\displaystyle \eta ={{\text{energy provided to the load}} \over {\text{heat energy absorbed at hot junction}}}.}$$

عادةً ما يتم وصف الحد الأقصى لكفاءة الجهاز الكهروحراري من حيث رقم الجدارة الخاص بجهازه حيث يتم تحديد الحد الأقصى لكفاءة الجهاز تقريبًا بواسطة ^[7] حيث هي درجة الحرارة الثابتة عند الوصلة الساخنة، هي درجة الحرارة الثابتة عند السطح الذي يتم تبريده، و هي متوسط ​​و . تكون معادلة الحد الأقصى للكفاءة دقيقة عندما تكون الخصائص الكهروحرارية مستقلة عن درجة الحرارة. ${\displaystyle ZT}$ $${\displaystyle \eta _{\mathrm {max} }={T_{\rm {H}}-T_{\rm {C}} \over T_{\rm {H}}}{{\sqrt {1+Z{\bar {T}}}}-1 \over {\sqrt {1+Z{\bar {T}}}}+{T_{\rm {C}} \over T_{\rm {H}}}},}$$${\displaystyle T_{\rm {H}}}$${\displaystyle T_{\rm {C}}}$${\displaystyle {\bar {T}}}$${\displaystyle T_{\rm {H}}}$${\displaystyle T_{\rm {C}}}$

بالنسبة لساق حرارية كهربائية واحدة، يمكن حساب كفاءة الجهاز من الخصائص المعتمدة على درجة الحرارة S و κ و σ وتدفق الحرارة والتيار الكهربائي عبر المادة. ^{[8] [9] [10]} في جهاز حراري كهربائي فعلي، يتم استخدام مادتين (عادةً واحدة من النوع n وواحدة من النوع p) مع وصلات معدنية. ثم يتم حساب الحد الأقصى للكفاءة من كفاءة كلتا الساقين والخسائر الكهربائية والحرارية من الوصلات والمناطق المحيطة. ${\displaystyle \eta _{\mathrm {max} }}$

بتجاهل هذه الخسائر والاعتماد على درجة الحرارة في S و κ و σ ، يتم تقديم تقدير غير دقيق لـ بواسطة ^{[1] [5]} حيث هي المقاومة الكهربائية، ويتم حساب متوسط ​​الخصائص على مدى نطاق درجة الحرارة؛ تشير المؤشرات السفلية n وp إلى خصائص مرتبطة بالمواد الحرارية الكهربائية شبه الموصلة من النوع n وp على التوالي. فقط عندما يكون للعناصر n وp نفس الخصائص المستقلة عن درجة الحرارة ( ) يكون . ${\displaystyle ZT}$$${\displaystyle Z{\bar {T}}={(S_{p}-S_{n})^{2}{\bar {T}} \over [(\rho _{n}\kappa _{n})^{1/2}+(\rho _{p}\kappa _{p})^{1/2}]^{2}}}$$${\displaystyle \rho }$${\displaystyle S_{p}=-S_{n}}$${\displaystyle Z{\bar {T}}=z{\bar {T}}}$

نظرًا لأن الأجهزة الحرارية الكهربائية عبارة عن محركات حرارية، فإن كفاءتها محدودة بكفاءة كارنو ، العامل الأول في ، بينما يحدد و أقصى قدر من عكسية العملية الديناميكية الحرارية عالميًا ومحليًا، على التوالي. بغض النظر عن ذلك، يتراوح معامل أداء الثلاجات الحرارية الكهربائية التجارية الحالية من 0.3 إلى 0.6، وهو سدس قيمة ثلاجات ضغط البخار التقليدية. ^[11]${\displaystyle {\frac {T_{\rm {H}}-T_{\rm {C}}}{T_{\rm {H}}}}}$${\displaystyle \eta _{\mathrm {max} }}$${\displaystyle ZT}$${\displaystyle zT}$

في كثير من الأحيان يتم الإبلاغ عن معامل القدرة الحرارية الكهربائية لمادة حرارية كهربائية، حيث S هو معامل سيبيك ، و σ هي الموصلية الكهربائية . $${\displaystyle \mathrm {Power~factor} =\sigma S^{2}[W/m/K^{2}]}$$

على الرغم من أنه غالبًا ما يُزعم أن أجهزة الطاقة الحرارية الكهربائية التي تحتوي على مواد ذات معامل قدرة أعلى قادرة على "توليد" المزيد من الطاقة (نقل المزيد من الحرارة أو استخراج المزيد من الطاقة من هذا الفارق في درجة الحرارة)، فإن هذا ينطبق فقط على جهاز حراري كهربائي ذو هندسة ثابتة ومصدر حرارة وتبريد غير محدودين. إذا تم تصميم هندسة الجهاز بشكل مثالي للتطبيق المحدد، فستعمل المواد الحرارية الكهربائية بأقصى كفاءتها والتي يتم تحديدها من خلال عدم . [ ^12]${\displaystyle zT}$${\displaystyle \sigma S^{2}}$

للحصول على كفاءة جيدة، هناك حاجة إلى مواد ذات موصلية كهربائية عالية وموصلية حرارية منخفضة ومعامل سيبيك مرتفع.

يوفر هيكل النطاق لأشباه الموصلات تأثيرات حرارية كهربائية أفضل من هيكل النطاق للمعادن.

طاقة فيرمي أقل من نطاق التوصيل مما يجعل كثافة الحالة غير متماثلة حول طاقة فيرمي. لذلك، فإن متوسط ​​طاقة الإلكترون في نطاق التوصيل أعلى من طاقة فيرمي، مما يجعل النظام مناسبًا لحركة الشحنة إلى حالة طاقة أقل. على النقيض من ذلك، تكمن طاقة فيرمي في نطاق التوصيل في المعادن. هذا يجعل كثافة الحالة متماثلة حول طاقة فيرمي بحيث تكون طاقة الإلكترون التوصيلية المتوسطة قريبة من طاقة فيرمي، مما يقلل من القوى الدافعة لنقل الشحنة. لذلك، تعد أشباه الموصلات مواد حرارية كهربائية مثالية. ^[13]

في معادلات الكفاءة أعلاه، تتنافس الموصلية الحرارية والتوصيل الكهربائي .

تتكون الموصلية الحرارية κ في المواد الصلبة البلورية بشكل أساسي من مكونين:

κ = κ _{إلكترون} + κ _فونون

وفقًا لقانون فيدمان-فرانز ، كلما زادت الموصلية الكهربائية، زادت _{إلكترون} κ . ^[13] وبالتالي في المعادن تكون نسبة الموصلية الحرارية إلى الموصلية الكهربائية ثابتة تقريبًا، حيث يهيمن جزء الإلكترون. في أشباه الموصلات، يكون جزء الفونون مهمًا ولا يمكن إهماله. فهو يقلل من الكفاءة. للحصول على كفاءة جيدة، تكون نسبة منخفضة من _فونون κ / _{إلكترون} κ مطلوبة.

لذلك، من الضروري تقليل _فونون الكاتا والحفاظ على التوصيل الكهربائي مرتفعًا. وبالتالي، يجب أن تكون أشباه الموصلات مشوبة بدرجة عالية.

اقترح GA Slack ^[14] أنه من أجل تحسين رقم الجدارة، يجب أن تتعرض الفونونات ، المسؤولة عن التوصيل الحراري، للمادة كزجاج (تتعرض لدرجة عالية من تشتت الفونون - مما يقلل من التوصيل الحراري ) بينما يجب أن تتعرض لها الإلكترونات كبلورة (تتعرض لتشتت ضئيل للغاية - مما يحافظ على التوصيل الكهربائي ): يُطلق على هذا المفهوم بلورة الإلكترون الزجاجية الفونونية. يمكن تحسين رقم الجدارة من خلال التعديل المستقل لهذه الخصائص.

This article needs additional citations for verification. Please help improve this article by adding citations to reliable sources. Unsourced material may be challenged and removed. Find sources: "Thermoelectric materials" – news · newspapers · books · scholar · JSTOR (November 2024) (Learn how and when to remove this message)

يتم تحديد الحد الأقصى للمادة من خلال عامل جودة المادة ${\displaystyle Z{\bar {T}}}$

${\displaystyle B={\frac {2k_{\rm {B}}^{2}\hbar }{3\pi }}{\frac {N_{\rm {v}}C_{\rm {l}}}{m_{\rm {l}}^{*}\Xi ^{2}\kappa _{\rm {L}}}}T}$

حيث هو ثابت بولتزمان، هو ثابت بلانك المخفض، هو عدد الوديان المتدهورة للشريط، هو متوسط ​​وحدات المرونة الطولية، هو الكتلة الفعالة بالقصور الذاتي، هو معامل تشوه الجهد، هو التوصيل الحراري للشبكة، و هي درجة الحرارة. يعتمد رقم الجدارة ، على تركيز الشوائب ودرجة حرارة المادة محل الاهتمام. ^[15]${\displaystyle k_{\rm {B}}}$${\displaystyle \hbar }$${\displaystyle N_{\rm {v}}}$${\displaystyle C_{\rm {l}}}$${\displaystyle m_{\rm {l}}^{*}}$${\displaystyle \Xi }$${\displaystyle \kappa _{\rm {L}}}$${\displaystyle T}$${\displaystyle Z{\bar {T}}}$

عامل جودة المادة مفيد لأنه يسمح بالمقارنة الجوهرية للكفاءة المحتملة بين المواد المختلفة. ^[16] تُظهر هذه العلاقة أن تحسين المكون الإلكتروني ، الذي يؤثر في المقام الأول على معامل سيبيك، سيزيد من عامل جودة المادة. يمكن إنشاء كثافة كبيرة من الحالات بسبب عدد كبير من النطاقات الموصلة ( ) أو عن طريق النطاقات المسطحة التي تعطي كتلة فعالة عالية النطاق ( ). للمواد المتساوية الخواص . لذلك، من المرغوب فيه أن يكون للمواد الحرارية الكهربائية انحلال وادي مرتفع في بنية نطاق حادة للغاية. ^[17] تعد الميزات المعقدة الأخرى للهيكل الإلكتروني مهمة. يمكن قياسها جزئيًا باستخدام دالة اللياقة الإلكترونية. ^[18]${\displaystyle B}$${\displaystyle {\frac {N_{\rm {v}}}{m_{\rm {l}}^{*}\Xi ^{2}}}}$${\displaystyle N_{\rm {v}}}$${\displaystyle m_{\rm {b}}^{*}}$${\displaystyle m_{\rm {b}}^{*}=m_{\rm {l}}^{*}}$

تتضمن استراتيجيات تحسين الأداء الكهروحراري كلًا من المواد السائبة المتقدمة واستخدام الأنظمة منخفضة الأبعاد. تندرج مثل هذه الأساليب لتقليل التوصيل الحراري للشبكة تحت ثلاثة أنواع عامة من المواد: (1) السبائك : تخلق عيوبًا نقطية أو شواغر أو هياكل خشخشة (أنواع الأيونات الثقيلة ذات السعات الاهتزازية الكبيرة الموجودة داخل المواقع الهيكلية المملوءة جزئيًا) لتشتيت الفونونات داخل بلورة الخلية الوحدوية ؛ ^[19] (2) البلورات المعقدة : تفصل زجاج الفونون عن بلورة الإلكترون باستخدام طرق مماثلة لتلك المستخدمة في الموصلات الفائقة (يجب أن تكون المنطقة المسؤولة عن نقل الإلكترون عبارة عن بلورة إلكترون من أشباه الموصلات عالية الحركة، بينما يجب أن يحتوي زجاج الفونون بشكل مثالي على هياكل ومواد مشوبة غير منظمة دون تعطيل بلورة الإلكترون، على غرار خزان الشحنة في الموصلات الفائقة عالية درجة _{الحرارة} ^{[20] )؛ (3)} المركبات النانوية متعددة الأطوار : تشتت الفونونات عند واجهات المواد النانوية، ^[21] سواء كانت مركبات مختلطة أو شبكات فائقة رقيقة .

تشمل المواد قيد الدراسة لتطبيقات الأجهزة الحرارية الكهربائية ما يلي:

مواد مثل Bi
₂تي
₃و بي
₂سي
₃تتضمن بعضًا من أفضل المواد الحرارية الكهربائية أداءً في درجة حرارة الغرفة مع معامل جدارة مستقل عن درجة الحرارة، ZT، بين 0.8 و1.0. ^[22] هيكلة هذه المواد النانوية لإنتاج بنية شبكية فائقة الطبقات من ثنائيات البيكربونات المتناوبة
₂تي
₃و سب
₂تي
₃تنتج الطبقات جهازًا يتمتع بموصلية كهربائية جيدة ولكن موصلية حرارية ضعيفة بشكل عمودي عليه. والنتيجة هي ZT معزز (حوالي 2.4 في درجة حرارة الغرفة للنوع p). ^[23] لاحظ أن هذه القيمة العالية لـ ZT لم يتم تأكيدها بشكل مستقل بسبب المطالب المعقدة على نمو مثل هذه الشبكات الفائقة وتصنيع الأجهزة؛ ومع ذلك فإن قيم ZT المادية تتفق مع أداء مبردات النقاط الساخنة المصنوعة من هذه المواد والمثبتة في مختبرات Intel.

تُعد تيلوريد البزموت ومحاليلها الصلبة مواد حرارية كهربائية جيدة في درجة حرارة الغرفة وبالتالي فهي مناسبة لتطبيقات التبريد عند حوالي 300 كلفن. وقد تم استخدام طريقة تشوكرالسكي لتنمية مركبات تيلوريد البزموت أحادية البلورة. وعادةً ما يتم الحصول على هذه المركبات عن طريق التصلب الاتجاهي من عمليات الصهر أو مسحوق المعادن. والمواد المنتجة بهذه الطرق لها كفاءة أقل من المواد أحادية البلورة بسبب التوجه العشوائي لحبيبات البلورة، ولكن خصائصها الميكانيكية متفوقة وحساسيتها للعيوب البنيوية والشوائب أقل بسبب تركيز الناقل الأمثل العالي.

يتم الحصول على تركيز الناقل المطلوب عن طريق اختيار تركيبة غير متكافئة، والتي يتم تحقيقها عن طريق إدخال ذرات زائدة من البزموت أو التيلوريوم إلى المصهور الأولي أو عن طريق شوائب الشوائب. بعض الشوائب المحتملة هي الهالوجينات وذرات المجموعة الرابعة والخامسة. بسبب الفجوة النطاقية الصغيرة (0.16 إلكترون فولت) فإن Bi ₂ Te ₃ متحلل جزئيًا ويجب أن يكون مستوى فيرمي المقابل قريبًا من الحد الأدنى لنطاق التوصيل عند درجة حرارة الغرفة. يعني حجم الفجوة النطاقية أن Bi ₂ Te ₃ يحتوي على تركيز عالٍ من الناقل الجوهري. لذلك، لا يمكن إهمال توصيل الناقل الأقلية للانحرافات المتكافئة الصغيرة. يقتصر استخدام مركبات التيلورايد على سمية وندرة التيلوريوم. ^[24]

أظهر هيرمانز وآخرون (2008) أن سبيكة تيلوريد الرصاص الممزوجة بالثاليوم (PbTe) تحقق قيمة ZT تبلغ 1.5 عند 773 كلفن. ^[25] وفي وقت لاحق، أبلغ سنايدر وآخرون (2011) عن قيمة ZT~1.4 عند 750 كلفن في سبيكة PbTe الممزوجة بالصوديوم، ^{[26] وقيمة ZT~1.8 عند 850 كلفن} _في سبيكة PbTe _1−x Sex الممزوجة بالصوديوم. ^[27] حددت مجموعة سنايدر أن كلًا من الثاليوم والصوديوم يغيران البنية الإلكترونية للبلورة مما يزيد من التوصيل الإلكتروني. كما يزعمون أن السيلينيوم يزيد من التوصيل الكهربائي ويقلل من التوصيل الحراري.

في عام 2012، استخدم فريق آخر تيلورايد الرصاص لتحويل الحرارة المهدرة إلى كهرباء، فبلغت قيمة ZT 2.2، والتي زعموا أنها الأعلى حتى الآن. ^{[28] [29]}

تحتوي الكلاثرات غير العضوية على الصيغة العامة A _x B _y C _46-y (النوع الأول) و A _x B _y C _136-y (النوع الثاني)، حيث B و C هما عناصر المجموعة الثالثة والرابعة على التوالي، والتي تشكل الإطار حيث يتم تغليف ذرات A "الضيفة" ( القلويات أو الفلزات القلوية الترابية ) في متعددي وجوه مختلفين يواجهان بعضهما البعض. تأتي الاختلافات بين النوعين الأول والثاني من عدد وحجم الفراغات الموجودة في خلايا الوحدة الخاصة بهما . تعتمد خصائص النقل على خصائص الإطار، ولكن الضبط ممكن عن طريق تغيير الذرات "الضيفة". ^{[30] [31] [32]}

الطريقة الأكثر مباشرة لتوليف وتحسين الخصائص الحرارية الكهربائية للكلاثرات شبه الموصلة من النوع الأول هي التنشيط الاستبدالي، حيث يتم استبدال بعض ذرات الإطار بذرات تنشيط. بالإضافة إلى ذلك، تم استخدام تقنيات مسحوق المعادن ونمو البلورات في توليف الكلاثرات. تمكن الخصائص البنيوية والكيميائية للكلاثرات من تحسين خصائص نقلها كدالة للقياس الكمي . ^{[33] [34]} تسمح بنية المواد من النوع الثاني بالملء الجزئي للمتعدد السطوح، مما يتيح ضبطًا أفضل للخصائص الكهربائية وبالتالي التحكم بشكل أفضل في مستوى التنشيط. ^{[35] [36]} يمكن تصنيع المتغيرات المملوءة جزئيًا كموصلات شبه موصلة أو حتى عازلة. ^[37]

توقع بليك وآخرون أن تكون قيمة ZT~0.5 عند درجة حرارة الغرفة وقيمة ZT~1.7 عند 800 كلفن للحصول على تركيبات مثالية. كما قام كوزنيتسوف وآخرون بقياس المقاومة الكهربائية ومعامل سيبيك لثلاثة أنواع مختلفة من الكلاثرات من النوع الأول فوق درجة حرارة الغرفة، ومن خلال تقدير التوصيل الحراري عند درجات حرارة عالية من بيانات درجات الحرارة المنخفضة المنشورة، حصلوا على قيمة ZT~0.7 عند 700 كلفن لـ Ba ₈ Ga ₁₆ Ge ₃₀ وقيمة ZT~0.87 عند 870 كلفن لـ Ba ₈ Ga ₁₆ Si _30. ^[38 ]

مركبات Mg ₂ B ^IV (B ¹⁴ = Si, Ge, Sn) ومحاليلها الصلبة هي مواد حرارية كهربائية جيدة وقيم ZT الخاصة بها قابلة للمقارنة مع قيم المواد الراسخة. تعتمد طرق الإنتاج المناسبة على الصهر المباشر المشترك، ولكن تم أيضًا استخدام السبائك الميكانيكية. أثناء التخليق، يجب مراعاة خسائر المغنيسيوم بسبب التبخر وفصل المكونات (خاصة بالنسبة لـ Mg _{2 Sn). يمكن لطرق التبلور الموجهة إنتاج بلورات مفردة من} Mg ₂ Si ، لكنها تتمتع بطبيعتها بموصلية من النوع n، والتشويب، على سبيل المثال باستخدام Sn أو Ga أو Ag أو Li، مطلوب لإنتاج مادة من النوع p وهي مطلوبة لجهاز حراري كهربائي فعال. ^[39] يجب تسخين المحاليل الصلبة والمركبات المشوبة لإنتاج عينات متجانسة - بنفس الخصائص في جميع الأنحاء. عند 800 كلفن، تم الإبلاغ عن أن Mg ₂ Si _0.55−x Sn _0.4 Ge _0.05 Bi _x لها رقم استحقاق يبلغ حوالي 1.4، وهو أعلى رقم تم الإبلاغ عنه على الإطلاق لهذه المركبات. ^[40]

تحتوي السكوتاروديتات على تركيبة كيميائية LM ₄ X ₁₂ ، حيث L هو معدن نادر الأرض (مكون اختياري)، وM هو معدن انتقالي ، وX هو شبه فلز ، أو عنصر من المجموعة الخامسة أو بنيكتوجين مثل الفوسفور أو الإثمد أو الزرنيخ . تظهر هذه المواد ZT>1.0 ويمكن استخدامها في الأجهزة الحرارية الكهربائية متعددة المراحل. ^[41]

تحتوي هذه المواد غير المملوءة على فراغات يمكن ملؤها بأيونات منخفضة التنسيق (عادةً عناصر أرضية نادرة ) لتقليل التوصيل الحراري عن طريق إنتاج مصادر لتشتت الفونون الشبكي ، دون تقليل التوصيل الكهربائي . ^[42] من الممكن أيضًا تقليل التوصيل الحراري في سكوتيروديت دون ملء هذه الفراغات باستخدام بنية خاصة تحتوي على مسام نانوية وميكروية. ^[43]

تعمل وكالة ناسا على تطوير مولد حراري كهربائي متعدد المهام يعمل بالنظائر المشعة، حيث يتم تصنيع أجهزة توليد الحرارة من مادة سكوتيروديت ، والتي يمكنها العمل بفارق درجات حرارة أصغر من التصميمات الحالية التي تستخدم التيلوريوم . وهذا يعني أن مولدًا حراريًا كهربائيًا مشابهًا سيولد طاقة أكبر بنسبة 25% في بداية المهمة وما لا يقل عن 50% بعد سبعة عشر عامًا. وتأمل وكالة ناسا استخدام التصميم في مهمة نيو فرونتيرز التالية . ^[44]

مركبات الأكسيد المتجانسة (مثل تلك الموجودة في الشكل ( SrTiO
₃) _ن (SrO)
_م—طور رودلسدن-بوبر ) له هياكل شبكية فائقة الطبقات تجعله مرشحًا واعدًا للاستخدام في الأجهزة الحرارية الكهربائية عالية الحرارة. ^[45] تُظهر هذه المواد موصلية حرارية منخفضة عمودية على الطبقات مع الحفاظ على موصلية إلكترونية جيدة داخل الطبقات. يمكن أن تصل قيم ZT الخاصة بها إلى 2.4 لـ SrTiO المتراكب
₃الأفلام، والاستقرار الحراري المعزز لهذه الأكاسيد، مقارنة بمركبات البزموت عالية ZT التقليدية ، يجعلها مواد حرارية كهربائية متفوقة في درجات الحرارة العالية. ^[46]

لقد تم إحياء الاهتمام بالأكاسيد كمواد حرارية كهربائية في عام 1997 عندما تم الإبلاغ عن قدرة حرارية كهربائية عالية نسبيًا لـ NaCo 2 _O 4. _[ ^{47] [46]} بالإضافة إلى استقرارها الحراري، فإن المزايا الأخرى للأكاسيد هي سميتها المنخفضة ومقاومتها العالية للأكسدة. قد يتطلب التحكم في كل من الأنظمة الكهربائية والفونونية في وقت واحد مواد نانوية. أظهرت طبقات Ca ₃ Co ₄ O ₉ قيم ZT تتراوح بين 1.4 و 2.7 عند 900 كلفن. ^[46] إذا كانت الطبقات في مادة معينة لها نفس القياس الكيميائي، فسيتم تكديسها بحيث لا يتم وضع نفس الذرات فوق بعضها البعض، مما يعيق توصيل الفونون بشكل عمودي على الطبقات. ^[45] في الآونة الأخيرة، اكتسبت المواد الحرارية الكهربائية للأكاسيد الكثير من الاهتمام بحيث زاد نطاق المراحل الواعدة بشكل كبير. تشمل الأعضاء الجديدة لهذه العائلة ZnO، ^[46] _و MnO2 ، ^[48] وNbO2 _. [ ^{49] [50]}

تم تضمين جميع المتغيرات المذكورة في معادلة رقم الجدارة بلا أبعاد ، zT ، والتي يمكن رؤيتها في الجزء العلوي من هذه الصفحة. الهدف من أي تجربة حرارية كهربائية هو جعل عامل القدرة، S ² σ ، أكبر مع الحفاظ على موصلية حرارية صغيرة . وذلك لأن الكهرباء يتم إنتاجها من خلال تدرج درجة الحرارة، وبالتالي فإن المواد التي يمكنها موازنة الحرارة بسرعة كبيرة ليست مفيدة. ^[51] وجد أن المركبين المفصلين أدناه يظهران خصائص حرارية كهربائية عالية الأداء، والتي يمكن إثباتها من خلال رقم الجدارة المذكور في أي من المخطوطات المعنية.

كوبروكالينينيت (CuCr ₂ S ₄ ) هو نظير مهيمن من النحاس لمعدن الجوغولدشتاينيت . تم العثور عليه مؤخرًا داخل الصخور المتحولة في سليوديانكا، وهي جزء من منطقة جنوب بايكال في روسيا، وقد قرر الباحثون أن كوبروكالينينيت المشوب بالأنثوسيانيد (Cu _1-x Sb _x Cr ₂ S ₄ ) يظهر وعدًا في التكنولوجيا المتجددة. ^[52] التنشيط هو فعل إضافة شوائب عمدًا، عادةً لتعديل الخصائص الكهروكيميائية لمادة البذرة. يعمل إدخال الأنتيمون على تعزيز معامل القدرة عن طريق إدخال إلكترونات إضافية، مما يزيد من معامل سيبيك ، S ، ويقلل من العزم المغناطيسي (مدى احتمالية محاذاة الجسيمات مع المجال المغناطيسي)؛ كما أنه يشوه البنية البلورية، مما يقلل من التوصيل الحراري ، κ . خان وآخرون. (2017) تمكنوا من اكتشاف الكمية المثلى لمحتوى الأنتيمون (x=0.3) في النحاس والكالسيوم من أجل تطوير جهاز بقيمة ZT تبلغ 0.43. ^[52]

البورنيت (Cu ₅ FeS ₄ ) هو معدن كبريتيدي سُمي على اسم عالم معادن نمساوي، على الرغم من أنه أكثر شيوعًا من الكوبروكالينينيت المذكور أعلاه. وُجِد أن خام المعدن هذا يُظهِر أداءً حراريًا كهربائيًا محسّنًا بعد إجراء تبادل الكاتيون مع الحديد. ^[53] تبادل الكاتيون هو عملية إحاطة بلورة الأم بمركب إلكتروليت ، بحيث يمكن تبديل الكاتيونات (الأيونات المشحونة إيجابيا) داخل الهيكل بتلك الموجودة في المحلول دون التأثير على الشبكة الفرعية للأنيون (شبكة البلورات المشحونة سلبًا). ^[54] ما يتبقى هو بلورات تمتلك تركيبة مختلفة، ولكنها ذات إطار متطابق. وبهذه الطريقة، يُمنح العلماء تحكمًا مورفولوجيًا وتوحيدًا شديدين عند إنشاء هياكل غير متجانسة معقدة. ^[55] أما عن سبب اعتقاده أنه يحسن قيمة ZT، فإن آليات تبادل الكاتيون غالبًا ما تؤدي إلى عيوب بلورية ، مما يتسبب في تشتت الفونونات (ببساطة، جزيئات الحرارة). وفقًا لصيغة ديباي-كالاواي، وهو نموذج يستخدم لتحديد الموصلية الحرارية للشبكة، κ _L ، فإن السلوك غير المتناغم للغاية بسبب تشتت الفونون يؤدي إلى مقاومة حرارية كبيرة. ^[56] لذلك، فإن كثافة العيوب الأكبر تقلل من الموصلية الحرارية للشبكة، مما يجعل رقم الجدارة أكبر. وفي الختام، أفاد لونج وآخرون أن نقص النحاس الأكبر أدى إلى زيادات تصل إلى 88٪ في قيمة ZT، بحد أقصى 0.79. ^[57]

يمكن أن يختلف تكوين الأجهزة الحرارية الكهربائية بشكل كبير اعتمادًا على درجة حرارة الحرارة التي يجب أن تحصدها؛ مع الأخذ في الاعتبار حقيقة أن أكثر من ثمانين بالمائة من نفايات الصناعة تقع ضمن نطاق 373-575 كلفن، فإن الكالكوجينيدات والأنتيمونيدات أكثر ملاءمة للتحويل الحراري الكهربائي لأنها يمكن أن تستخدم الحرارة في درجات حرارة منخفضة. ^[58] ليس الكبريت هو الكالكوجينيد الأرخص والأخف وزناً فحسب، بل إن الفوائض الحالية قد تسبب تهديدًا للبيئة لأنه منتج ثانوي لالتقاط النفط، لذلك يمكن أن يساعد استهلاك الكبريت في تخفيف الأضرار المستقبلية. ^[52] أما بالنسبة للمعدن، فإن النحاس هو جسيم بذرة مثالي لأي نوع من طرق الاستبدال بسبب حركته العالية وحالة الأكسدة المتغيرة ، لأنه يمكنه موازنة أو استكمال شحنة الكاتيونات الأكثر صلابة. لذلك، يمكن أن تثبت معادن الكوبروكالينيت أو البورنيت مكونات حرارية كهربائية مثالية.

تتمتع سبائك نصف هوسلر (HH) بإمكانات كبيرة لتطبيقات توليد الطاقة عالية الحرارة. تشمل أمثلة هذه السبائك NbFeSb و NbCoSn و VFeSb. تتمتع ببنية مكعبة من نوع MgAgAs تتكون من ثلاث شبكات متداخلة ذات وجه مركزي مكعب (fcc). تفتح القدرة على استبدال أي من هذه الشبكات الفرعية الثلاث الباب أمام مجموعة واسعة من المركبات ليتم تصنيعها. يتم استخدام بدائل ذرية مختلفة لتقليل التوصيل الحراري وتعزيز التوصيل الكهربائي. ^[59]

في السابق، لم يكن ZT قادرًا على الوصول إلى ذروة تزيد عن 0.5 لمركبات HH من النوع p و0.8 لمركبات HH من النوع n. ومع ذلك، في السنوات القليلة الماضية، تمكن الباحثون من تحقيق ZT ≈1 لكل من النوع n والنوع p. ^[59] تعد الحبيبات ذات الحجم النانوي أحد الأساليب المستخدمة لخفض الموصلية الحرارية من خلال تشتت الفونون بمساعدة حدود الحبيبات. ^[60] كان النهج الآخر هو الاستفادة من مبادئ المركبات النانوية، والتي بموجبها تم تفضيل تركيبة معينة من المعادن على غيرها بسبب اختلاف الحجم الذري. على سبيل المثال، يكون Hf وTi أكثر فعالية من Hf وZr، عندما يكون تقليل الموصلية الحرارية أمرًا مثيرًا للقلق، لأن اختلاف الحجم الذري بين الأول أكبر من الثاني. ^[61]

إن البوليمرات الموصلة تشكل أهمية كبيرة لتطوير المواد الكهروحرارية المرنة. فهي مرنة وخفيفة الوزن ومتعددة الاستخدامات هندسيًا ويمكن معالجتها على نطاق واسع، وهو عنصر مهم للتسويق. ومع ذلك، فإن الاضطراب البنيوي لهذه المواد غالبًا ما يثبط التوصيل الكهربائي أكثر بكثير من التوصيل الحراري، مما يحد من استخدامها حتى الآن. تشمل بعض البوليمرات الموصلة الأكثر شيوعًا التي تم التحقيق فيها للمواد الكهروحرارية المرنة بولي (3،4-إيثيلين ديوكسي ثيوفين) (PEDOT)، والبولي أنيلين (PANIs)، والبولي ثيوفين، والبولي أسيتيلين، والبولي بيرول، والبولي كاربازول. كان PEDOT من النوع P:PSS (بوليستيرين سلفونات) وPEDOT-Tos (توسيلات) من أكثر المواد المشجعة التي تم التحقيق فيها. غالبًا ما يكون تصنيع المواد الكهروحرارية العضوية المستقرة في الهواء من النوع n أكثر صعوبة بسبب انخفاض تقارب الإلكترون واحتمالية تفاعلها مع الأكسجين والماء في الهواء. ^[62] غالبًا ما يكون لهذه المواد رقم جدارة لا يزال منخفضًا جدًا للتطبيقات التجارية (~0.42 في PEDOT: PSS ) بسبب الموصلية الكهربائية الضعيفة. ^[63]

تتضمن المواد الكهروحرارية المركبة الهجينة مزج المواد العضوية الموصلة للكهرباء أو المواد المركبة الأخرى التي تمت مناقشتها سابقًا مع مواد موصلة أخرى في محاولة لتحسين خصائص النقل. تشمل المواد الموصلة التي تتم إضافتها بشكل شائع الأنابيب النانوية الكربونية والجرافين بسبب موصليتها وخصائصها الميكانيكية. وقد ثبت أن الأنابيب النانوية الكربونية يمكن أن تزيد من قوة الشد للمركب البوليمري الذي تمتزج به. ومع ذلك، يمكنها أيضًا تقليل المرونة. ^[64] علاوة على ذلك، فإن الدراسة المستقبلية في اتجاه ومحاذاة هذه المواد المضافة ستسمح بتحسين الأداء. ^[65] غالبًا ما تكون عتبة التسرب لأنابيب الكربون النانوية منخفضة بشكل خاص، أقل بكثير من 10٪، بسبب نسبة العرض إلى الارتفاع العالية. ^[66] تعد عتبة التسرب المنخفضة مرغوبة لأغراض التكلفة والمرونة. كما تم استخدام أكسيد الجرافين المخفض (rGO) كمادة مرتبطة بالجرافين لتعزيز قيمة المواد الكهروحرارية. ^[67] إن إضافة كمية منخفضة إلى حد ما من الجرافين أو rGO حوالي 1٪ وزني تعمل بشكل أساسي على تعزيز تشتت الفونون عند حدود الحبوب لجميع هذه المواد بالإضافة إلى زيادة تركيز حامل الشحنة والتنقل في المركبات القائمة على الكالكوجينيد والسكوتيروديت وأكسيد المعدن بشكل خاص. ومع ذلك، لوحظ نمو كبير في ZT بعد إضافة الجرافين أو rGO بشكل أساسي للمركبات القائمة على مواد حرارية كهربائية ذات ZT أولية منخفضة. عندما تكون المادة الحرارية الكهربائية ذات بنية نانوية بالفعل وتمتلك موصلية كهربائية عالية، فإن مثل هذه الإضافة لا تعزز ZT بشكل كبير. وبالتالي، يعمل الجرافين أو مادة rGO المضافة بشكل أساسي كمحسن للأداء الجوهري للمواد الحرارية الكهربائية.

تشير المركبات الحرارية الكهربائية الهجينة أيضًا إلى المركبات الحرارية الكهربائية البوليمرية غير العضوية. يتم تحقيق ذلك عمومًا من خلال مصفوفة بوليمر خاملة تستضيف مادة حشو حرارية كهربائية. تكون المصفوفة غير موصلة بشكل عام بحيث لا تتسبب في حدوث قصر في التيار وكذلك للسماح للمادة الحرارية الكهربائية بالسيطرة على خصائص النقل الكهربائي. تتمثل إحدى الفوائد الرئيسية لهذه الطريقة في أن مصفوفة البوليمر ستكون عمومًا غير منظمة وعشوائية للغاية على العديد من مقاييس الطول المختلفة، مما يعني أن المادة المركبة يمكن أن يكون لها موصلية حرارية أقل بكثير. تتضمن العملية العامة لتصنيع هذه المواد مذيبًا لإذابة البوليمر وتشتت المادة الحرارية الكهربائية في جميع أنحاء الخليط. ^[68]

يُظهِر السيليكون السائب قيمة ZT منخفضة تبلغ ~0.01 بسبب موصليته الحرارية العالية. ومع ذلك، يمكن أن تصل قيمة ZT إلى 0.6 في أسلاك السيليكون النانوية ، والتي تحتفظ بالموصلية الكهربائية العالية للسيليكون المشوب، ولكنها تقلل من الموصلية الحرارية بسبب التشتت المرتفع للفونونات على أسطحها الواسعة ومقطعها العرضي المنخفض. ^[69]

يسمح الجمع بين السيليكون والجرمانيوم أيضًا بالاحتفاظ بموصلية كهربائية عالية لكلا المكونين وتقليل الموصلية الحرارية. ينشأ التخفيض من التشتت الإضافي بسبب خصائص الشبكة (الفونون) المختلفة جدًا للسيليكون والجرمانيوم. ^[70] ونتيجة لذلك، تعد سبائك السيليكون والجرمانيوم حاليًا أفضل المواد الحرارية الكهربائية عند حوالي 1000 درجة مئوية وبالتالي تُستخدم في بعض المولدات الحرارية الكهربائية بالنظائر المشعة (RTG) (ولا سيما MHW-RTG و GPHS-RTG ) وبعض التطبيقات الأخرى ذات درجات الحرارة العالية، مثل استعادة الحرارة المهدرة . إن قابلية استخدام سبائك السيليكون والجرمانيوم محدودة بسبب سعرها المرتفع وقيم ZT المعتدلة (~0.7)؛ ومع ذلك، يمكن زيادة ZT إلى 1-2 في هياكل نانوية SiGe بسبب انخفاض الموصلية الحرارية. ^[71]

كانت التجارب التي أجريت على بلورات كوبالتات الصوديوم، باستخدام تجارب الأشعة السينية وتشتت النيوترون التي أجريت في منشأة الإشعاع السنكروتروني الأوروبية (ESRF) ومعهد لاو لانجيفين (ILL) في غرونوبل، قادرة على قمع التوصيل الحراري بعامل ستة مقارنة بكوبالتات الصوديوم الخالية من الشواغر. وتوافقت التجارب مع حسابات الكثافة الوظيفية المقابلة . تضمنت التقنية إزاحات غير متجانسة كبيرة لـ Na
_0.8سجع
₂محتواة داخل البلورات. ^{[72] [73]}

في عام 2002، توصل نولاس وجولدسميد إلى اقتراح مفاده أن الأنظمة ذات متوسط ​​المسار الحر للفونون الأكبر من متوسط ​​المسار الحر لحامل الشحنة يمكن أن تظهر كفاءة حرارية كهربائية محسنة. ^[74] ويمكن تحقيق ذلك في المواد الحرارية الكهربية غير المتبلورة وسرعان ما أصبحت محورًا للعديد من الدراسات. تم تحقيق هذه الفكرة الرائدة في أنظمة Cu-Ge-Te، ^[75] NbO ₂ ، ^[76] In-Ga-Zn-O، ^[77] Zr-Ni-Sn، ^[78] Si-Au، ^[79] و Ti-Pb-VO ^[80] . تجدر الإشارة إلى أن نمذجة خصائص النقل صعبة بما يكفي دون كسر الترتيب بعيد المدى بحيث يكون تصميم المواد الحرارية الكهربية غير المتبلورة في مهده. بطبيعة الحال، تؤدي المواد الحرارية الكهربية غير المتبلورة إلى تشتت الفونون على نطاق واسع، وهو ما لا يزال يشكل تحديًا للمواد الحرارية الكهربية البلورية. ومن المتوقع مستقبل مشرق لهذه المواد.

تجعل المواد المصنفة وظيفيًا من الممكن تحسين كفاءة التحويل للمواد الكهروحرارية الموجودة. تتميز هذه المواد بتوزيع غير موحد لتركيز الناقل وفي بعض الحالات أيضًا تركيبة محلول صلب. في تطبيقات توليد الطاقة، يمكن أن يصل فرق درجات الحرارة إلى عدة مئات من الدرجات، وبالتالي فإن الأجهزة المصنوعة من مواد متجانسة تحتوي على جزء يعمل عند درجة حرارة تكون فيها ZT أقل بكثير من قيمتها القصوى. يمكن حل هذه المشكلة باستخدام مواد تختلف خصائص نقلها على طولها مما يتيح تحسينات كبيرة في كفاءة التشغيل على اختلافات درجات الحرارة الكبيرة. هذا ممكن مع المواد المصنفة وظيفيًا لأنها تحتوي على تركيز ناقل متغير على طول المادة، وهو ما تم تحسينه للعمليات على مدى نطاق درجة حرارة معين. ^[81]

بالإضافة إلى Bi-البنية النانوية
₂تي
₃/ سب
₂تي
₃تُظهر الأغشية الرقيقة الفائقة الشبكة، والمواد النانوية الأخرى، بما في ذلك أسلاك السيليكون النانوية ، ^[69] والأنابيب النانوية والنقاط الكمومية إمكانات في تحسين الخصائص الحرارية الكهربائية.

يتضمن مثال آخر للشبكة الفائقة شبكات فائقة النقاط الكمومية من PbTe/PbSeTe توفر قيمة ZT محسنة (حوالي 1.5 في درجة حرارة الغرفة) والتي كانت أعلى من قيمة ZT الإجمالية لكل من PbTe أو PbSeTe (حوالي 0.5). ^[82]

ليست كل المواد النانوية مستقرة، لأن حجم البلورة يمكن أن ينمو في درجات الحرارة العالية، مما يؤدي إلى إفساد الخصائص المرغوبة للمواد.

تحتوي المواد النانوية البلورية على العديد من الواجهات بين البلورات، والتي تبعثر الفونونات بحيث تقل الموصلية الحرارية. تقتصر الفونونات على الحبيبات، إذا كان متوسط ​​مسارها الحر أكبر من حجم حبيبات المادة. ^[69]

تعد السيليسيدات المعدنية الانتقالية النانوية مجموعة مواد واعدة للتطبيقات الحرارية الكهربائية، لأنها تلبي العديد من المعايير المطلوبة من وجهة نظر التطبيقات التجارية. في بعض السيليسيدات المعدنية الانتقالية النانوية يكون معامل القدرة أعلى من معامل القدرة في المواد متعددة البلورات المقابلة، ولكن الافتقار إلى البيانات الموثوقة حول التوصيل الحراري يمنع تقييم كفاءتها الحرارية الكهربائية. ^[83]

يمكن إنتاج السكوتاروديت، وهو معدن زرنيخيد الكوبالت مع كميات متفاوتة من النيكل والحديد، بشكل صناعي، وهو مرشح لأن يكون مواد حرارية كهربائية أفضل.

تتمثل إحدى مزايا سكوتيروديت النانوية مقارنة بسكويروديت العادي في انخفاض توصيلها الحراري، الناجم عن تشتت حدود الحبيبات. تم تحقيق قيم ZT ~0.65 و> 0.4 مع عينات تعتمد على CoSb ₃ ؛ كانت القيم السابقة 2.0 لـ Ni و0.75 للمواد المخدرة بالتيرامول عند 680 كلفن والأخيرة لمركب الذهب عند T> 700 كلفن . ^[84]

يمكن تحقيق تحسينات أكبر في الأداء عن طريق استخدام المواد المركبة والتحكم في حجم الحبيبات وظروف ضغط العينات المتعددة البلورات وتركيز الناقل.

يُعرف الجرافين بموصليته الكهربائية العالية ومعامل سيبيك في درجة حرارة الغرفة. ^{[85] [86]} ومع ذلك، من منظور ترموكهربائي، فإن موصليته الحرارية عالية بشكل ملحوظ، مما يحد بدوره من ZT الخاص به. ^[87] تم اقتراح العديد من الطرق لتقليل الموصلية الحرارية للجرافين دون تغيير موصليته الكهربائية كثيرًا. وتشمل هذه، على سبيل المثال لا الحصر، ما يلي:

• التنشيط بنظائر الكربون لتشكيل تقاطع نظيري غير متجانس مثل تقاطع الكربون ¹² والكربون ^13. تمتلك هذه النظائر عدم تطابق في ترددات الفونون، مما يؤدي إلى تشتت حاملات الحرارة (الفونونات). وقد ثبت أن هذا النهج لا يؤثر على عامل القدرة ولا على التوصيل الكهربائي. [ ^88]
• وقد تبين أن التجاعيد والشقوق في بنية الجرافين تساهم في تقليل التوصيل الحراري. وتُظهر القيم المبلغ عنها للتوصيل الحراري للجرافين المعلق بحجم 3.8 ميكرومتر انتشارًا واسعًا من 1500 إلى 5000 واط/(م·ك). وقد عزت دراسة حديثة ذلك إلى العيوب الدقيقة الموجودة في الجرافين، مثل التجاعيد والشقوق، والتي يمكن أن تؤدي إلى انخفاض التوصيل الحراري بنسبة 27%. ^[89] تساعد هذه العيوب في تشتيت الفونونات.
• إدخال العيوب باستخدام تقنيات مثل معالجة بلازما الأكسجين. تتم طريقة أكثر منهجية لإدخال العيوب في بنية الجرافين من خلال معالجة بلازما الأكسجين _. في النهاية، ستحتوي عينة الجرافين على ثقوب محددة المسافات ومرقمة وفقًا لشدة البلازما. تمكن الأشخاص من تحسين ZT للجرافين من 1 إلى قيمة 2.6 عندما يتم رفع كثافة العيب من 0.04 إلى 2.5 (هذا الرقم هو مؤشر لكثافة العيب وعادة ما يتم فهمه عند مقارنته بالقيمة المقابلة للجرافين غير المعالج، 0.04 في حالتنا). ومع ذلك، فإن هذه التقنية من شأنها أن تخفض الموصلية الكهربائية أيضًا، والتي يمكن الحفاظ عليها دون تغيير إذا تم تحسين معلمات معالجة البلازما. ^[85]
• الوظيفة الوظيفية للجرافين بواسطة الأكسجين. لم يتم التحقيق في السلوك الحراري لأكسيد الجرافين على نطاق واسع مقارنة بنظيره؛ الجرافين. ومع ذلك، فقد ثبت نظريًا من خلال نموذج نظرية الكثافة الوظيفية (DFT) أن إضافة الأكسجين إلى شبكة الجرافين يقلل كثيرًا من موصليته الحرارية بسبب تأثير تشتت الفونون. ينتج تشتت الفونونات عن عدم التطابق الصوتي وانخفاض التماثل في بنية الجرافين بعد التطعيم بالأكسجين. يمكن أن يتجاوز انخفاض الموصلية الحرارية بسهولة 50٪ بهذا النهج. ^[86]

تعتبر الشبكات الفائقة - وهي عبارة عن أزواج حرارية ذات بنية نانوية - مرشحًا جيدًا لتصنيع أجهزة حرارية كهربائية أفضل، مع وجود مواد يمكن استخدامها في تصنيع هذا الهيكل.

إن إنتاجها مكلف للاستخدام العام بسبب عمليات التصنيع القائمة على طرق نمو الأغشية الرقيقة المكلفة. ومع ذلك، نظرًا لأن كمية المواد ذات الأغشية الرقيقة المطلوبة لتصنيع الأجهزة ذات الشبكات الفائقة أقل كثيرًا من المواد ذات الأغشية الرقيقة في المواد الحرارية الكهربائية السائبة (بعامل 1/10000 تقريبًا)، فإن ميزة التكلفة على المدى الطويل مواتية بالفعل.

وهذا صحيح بشكل خاص نظراً للتوافر المحدود للتيلوريوم، مما يتسبب في ارتفاع المنافسة بين التطبيقات الشمسية لأنظمة الاقتران الحراري الكهربائي.

تسمح هياكل الشبكة الفائقة أيضًا بالتلاعب المستقل بمعلمات النقل عن طريق تعديل الهيكل نفسه، مما يتيح إجراء البحوث لفهم أفضل للظواهر الحرارية الكهربائية على نطاق النانو، ودراسة هياكل نقل الإلكترون التي تحجب الفونون - مما يفسر التغيرات في المجال الكهربائي والتوصيل بسبب البنية النانوية للمادة. ^[23]

توجد العديد من الاستراتيجيات لتقليل التوصيل الحراري للشبكة الفائقة والتي تعتمد على هندسة نقل الفونون. يمكن تقليل التوصيل الحراري على طول مستوى الفيلم ومحور السلك عن طريق إنشاء تشتت واجهة منتشر وتقليل مسافة فصل الواجهة، وكلاهما ناتج عن خشونة الواجهة.

يمكن أن تحدث خشونة الواجهة بشكل طبيعي أو قد يتم تحريضها بشكل مصطنع. في الطبيعة، تحدث الخشونة نتيجة لاختلاط ذرات العناصر الغريبة. يمكن إنشاء خشونة اصطناعية باستخدام أنواع مختلفة من الهياكل، مثل واجهات النقاط الكمومية والأغشية الرقيقة على ركائز مغطاة بالخطوات. ^{[71] [70]}

انخفاض التوصيل الكهربائي :
غالبًا ما تظهر أيضًا هياكل واجهة تشتت الفونون المنخفضة انخفاضًا في التوصيل الكهربائي.

عادةً ما تكون الموصلية الحرارية في اتجاه المستوى المتقاطع للشبكة منخفضة جدًا، ولكن اعتمادًا على نوع الشبكة الفائقة، قد يزيد معامل التوصيل الحراري الكهربائي بسبب التغييرات في بنية النطاق.

عادة ما يكون انخفاض الموصلية الحرارية في الشبكات الفائقة ناتجًا عن تشتت واجهة الفونونات القوي. تحدث النطاقات الصغيرة بسبب عدم وجود حبس كمي داخل البئر. يعتمد هيكل النطاق الصغير على فترة الشبكة الفائقة بحيث يقترب هيكل النطاق من حد السبائك خلال فترة قصيرة جدًا (~1 نانومتر) ومع فترة طويلة (≥ ~60 نانومتر) تصبح النطاقات الصغيرة قريبة جدًا من بعضها البعض بحيث يمكن تقريبها باستخدام متصل. ^[90]

إجراءات مضادة لبنية الشبكة الفائقة :
يمكن اتخاذ إجراءات مضادة تقضي عمليًا على مشكلة انخفاض التوصيل الكهربائي في واجهة تشتت الفونون المخفضة. تتضمن هذه الإجراءات الاختيار المناسب لبنية الشبكة الفائقة، والاستفادة من التوصيل النطاقي الصغير عبر الشبكات الفائقة، وتجنب الاحتجاز الكمي . وقد ثبت أنه نظرًا لأن الإلكترونات والفونونات لها أطوال موجية مختلفة، فمن الممكن هندسة البنية بطريقة تجعل الفونونات أكثر انتشارًا عند الواجهة من الإلكترونات. ^[23]

إجراءات مضادة لاحتجاز الفونون :
هناك نهج آخر للتغلب على انخفاض الموصلية الكهربائية في هياكل تشتت الفونون المخفضة وهو زيادة انعكاسية الفونون وبالتالي تقليل الموصلية الحرارية العمودية على الواجهات.

يمكن تحقيق ذلك من خلال زيادة عدم التطابق بين المواد في الطبقات المجاورة، بما في ذلك الكثافة ، وسرعة المجموعة ، والحرارة النوعية ، وطيف الفونون.

تتسبب خشونة الواجهة في تشتت الفونون المنتشر، مما يؤدي إما إلى زيادة أو تقليل انعكاس الفونون عند الواجهات. يؤدي عدم التطابق بين علاقات التشتت الشامل إلى حصر الفونونات، ويصبح الاحتجاز أكثر ملاءمة مع زيادة الفرق في التشتت.

إن مقدار الحبس غير معروف حاليًا حيث لا توجد سوى بعض النماذج والبيانات التجريبية. وكما هو الحال مع الطريقة السابقة، يجب مراعاة التأثيرات على التوصيل الكهربائي. ^{[71] [70]}

لقد تم إجراء محاولات لتحديد موقع الفونونات ذات الطول الموجي الطويل من خلال الشبكات الفائقة غير الدورية أو الشبكات الفائقة المركبة ذات الدورات المختلفة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن استخدام العيوب، وخاصة الخلع، لتقليل التوصيل الحراري في الأنظمة ذات الأبعاد المنخفضة. ^{[71] [70]}

الحرارة الطفيلية :
قد تتسبب الحرارة الطفيلية في طبقات الحاجز في حدوث خسارة كبيرة في الأداء. وقد تم اقتراح التغلب على هذه المشكلة ولكن لم يتم اختبارها بعد من خلال اختيار مسافة صحيحة معينة بين الآبار الكمومية.

يمكن لمعامل سيبيك تغيير علامته في الأسلاك النانوية الفائقة بسبب وجود فجوات صغيرة مع تغير طاقة فيرمي. يشير هذا إلى أنه يمكن تصميم الشبكات الفائقة لإظهار سلوك من النوع n أو p باستخدام نفس المواد المضافة المستخدمة للمواد السائبة المقابلة من خلال التحكم بعناية في طاقة فيرمي أو تركيز المادة المضافة. باستخدام صفائف الأسلاك النانوية، من الممكن استغلال انتقال شبه المعدن إلى أشباه الموصلات بسبب الحبس الكمي واستخدام مواد لا تكون عادةً مواد حرارية كهربائية جيدة في شكل سائب. مثل هذه العناصر هي البزموت على سبيل المثال. يمكن أيضًا استخدام تأثير سيبيك لتحديد تركيز الناقل وطاقة فيرمي في الأسلاك النانوية. ^[91]

في المواد الكهروحرارية ذات النقاط الكمومية، من الضروري اتباع سلوك نقل غير تقليدي أو غير شريطي (مثل النفق أو القفز) للاستفادة من بنية الشريط الإلكتروني الخاصة بها في اتجاه النقل. من الممكن تحقيق ZT>2 عند درجات حرارة مرتفعة باستخدام الشبكات الفائقة للنقاط الكمومية، لكنها غير مناسبة دائمًا تقريبًا للإنتاج الضخم.

ومع ذلك، في الشبكات الفائقة، حيث لا تشارك التأثيرات الكمومية، مع سمك طبقة يتراوح فقط بين بضعة ميكرومترات (ميكرومتر) إلى حوالي 15 ميكرومتر، تم تحويل مادة الشبكة الفائقة Bi ₂ Te ₃ /Sb ₂ Te ₃ إلى مبردات دقيقة عالية الأداء وأجهزة أخرى. يتوافق أداء مبردات النقاط الساخنة ^{[23] مع ZT ~ 2.4 المبلغ عنها لمواد الشبكة الفائقة عند 300 كلفن. [92]}

تُعَد المواد النانوية المركبة فئة واعدة من المواد المستخدمة في الأجهزة الحرارية الكهربائية، ولكن هناك العديد من التحديات التي يجب التغلب عليها لجعلها مناسبة للتطبيقات العملية. ولا يُفهَم جيدًا سبب ظهور الخصائص الحرارية الكهربائية المحسنة فقط في مواد معينة ذات عمليات تصنيع محددة. ^[93]

يمكن تضمين بلورات نانوية من SrTe في مصفوفة PbTe السائبة بحيث يتم محاذاة شبكات الملح الصخري لكلا المادتين تمامًا (الترتيب الداخلي) مع التركيز المولي الأمثل لـ SrTe بنسبة 2٪ فقط. يمكن أن يتسبب هذا في تشتت قوي للفونون ولكنه لن يؤثر على نقل الشحنة. في مثل هذه الحالة، يمكن تحقيق ZT ~ 1.7 عند 815 كلفن لمادة من النوع p. ^[94]

في عام 2014، اكتشف الباحثون في جامعة نورث وسترن أن سيلينيد القصدير (SnSe) له ZT يبلغ 2.6 على طول المحور b للخلية الوحدوية. ^{[95] [96]} كانت هذه أعلى قيمة تم الإبلاغ عنها حتى الآن. وقد نُسب هذا إلى الموصلية الحرارية المنخفضة للغاية الموجودة في شبكة SnSe. على وجه التحديد، أظهر SnSe موصلية حرارية للشبكة تبلغ 0.23 W·m ⁻¹ ·K ⁻¹ ، وهي أقل بكثير من القيم المبلغ عنها سابقًا والتي تبلغ 0.5 W·m ⁻¹ ·K ⁻¹ وأكبر. ^[97] أظهرت هذه المادة أيضًا ZT تبلغ2.3 ± 0.3 على طول المحور c و0.8 ± 0.2 على طول المحور أ. تم الحصول على هذه النتائج عند درجة حرارة 923 كلفن (650 درجة مئوية). وكما هو موضح في الأشكال أدناه، وجد أن مقاييس أداء SnSe تتحسن بشكل كبير عند درجات حرارة أعلى؛ وهذا يرجع إلى تغيير هيكلي. يصل معامل القدرة والموصلية والموصلية الحرارية إلى قيمها المثلى عند أو أعلى من 750 كلفن، ويبدو أنها تصل إلى ذروتها عند درجات حرارة أعلى. ومع ذلك، لم تتمكن مجموعات أخرى من إعادة إنتاج بيانات الموصلية الحرارية الإجمالية المبلغ عنها. ^[98]

على الرغم من وجوده في درجة حرارة الغرفة في بنية معينة الشكل مع المجموعة الفراغية Pnma، فإن SnSe يخضع لانتقال إلى بنية ذات تناسق أعلى، المجموعة الفراغية Cmcm، عند درجات حرارة أعلى. ^[99] تتكون هذه البنية من مستويات Sn-Se مكدسة لأعلى في الاتجاه a، مما يفسر الأداء الضعيف خارج المستوى (على طول المحور a). عند الانتقال إلى بنية Cmcm، يحتفظ SnSe بموصليته الحرارية المنخفضة ولكنه يُظهر قدرة أعلى على الحركة الناقلة. ^[97]

أحد العوائق أمام المزيد من تطوير SnSe هو أنه يحتوي على تركيز حامل منخفض نسبيًا: حوالي 10 ¹⁷  سم ^-3 . ومما يزيد من تعقيد هذه المشكلة حقيقة أن SnSe تم الإبلاغ عن انخفاض كفاءة التنشيط. ^[100]

ومع ذلك، تعاني هذه المواد البلورية المفردة من عدم القدرة على صنع أجهزة مفيدة بسبب هشاشتها بالإضافة إلى النطاق الضيق لدرجات الحرارة، حيث يُقال إن ZT مرتفع.

في عام 2021، أعلن الباحثون عن شكل متعدد البلورات من SnSe كان أقل هشاشة في نفس الوقت وتميز بـ ZT يبلغ 3.1. ^[101]

توطين أندرسون هو ظاهرة ميكانيكية كمية حيث يتم حبس حاملات الشحنة في جهد عشوائي في مكانها (أي أنها في حالات موضعية على عكس كونها في حالات تشتت إذا كان بإمكانها التحرك بحرية). ^[102] يمنع هذا التوطين حاملات الشحنة من الحركة، مما يثبط مساهمتها في التوصيل الحراري للمادة، ولكن لأنه يقلل أيضًا من التوصيل الكهربائي، فقد كان يُعتقد أنه يقلل من ZT ويكون ضارًا للمواد الحرارية الكهربائية. ^{[103] [104]} في عام 2019، اقترح أنه من خلال توطين حاملات الشحنة الأقلية فقط في أشباه الموصلات المشوبة (أي الثقوب في أشباه الموصلات المشوبة بـ n أو الإلكترونات في أشباه الموصلات المشوبة بـ p)، يمكن أن يزيد توطين أندرسون من ZT. ستنخفض الموصلية الحرارية المرتبطة بحركة حاملات الشحنة الأقلية بينما لن تتأثر الموصلية الكهربائية لحامل الشحنة الأغلبية. ^[105]

في عام 2020، أظهر باحثون في جامعة كيونج هي استخدام توطين أندرسون في أشباه الموصلات من النوع n لتحسين الخصائص الحرارية الكهربائية للمادة. قاموا بدمج جسيمات نانوية من تيلورايد الفضة (Ag ₂ Te) في مصفوفة تيلورايد الرصاص (PbTe). يخضع Ag ₂ Te لانتقال طوري عند حوالي 407 كلفن. تحت هذه الدرجة من الحرارة، يتم توطين كل من الثقوب والإلكترونات عند جسيمات النانو Ag ₂ Te، بينما بعد الانتقال، لا تزال الثقوب موضعية، لكن الإلكترونات يمكن أن تتحرك بحرية في المادة. تمكن الباحثون من زيادة ZT من 1.5 إلى أكثر من 2.0 باستخدام هذه الطريقة. ^[106]

يمكن تقسيم طرق إنتاج هذه المواد إلى تقنيات تعتمد على المسحوق ونمو البلورات. توفر التقنيات القائمة على المسحوق قدرة ممتازة على التحكم والحفاظ على توزيع الناقل المطلوب وحجم الجسيمات والتكوين. ^[107] في تقنيات نمو البلورات، غالبًا ما يتم خلط المواد المنشطات مع المصهور، ولكن يمكن أيضًا استخدام الانتشار من الطور الغازي. ^[108] في تقنيات ذوبان المنطقة، يتم تكديس أقراص من مواد مختلفة فوق بعضها البعض ثم يتم خلط المواد مع بعضها البعض عندما يتسبب سخان متحرك في الذوبان. في تقنيات المسحوق، يتم خلط مساحيق مختلفة بنسب متفاوتة قبل الذوبان أو تكون في طبقات مختلفة كمكدس قبل الضغط والذوبان.

هناك تطبيقات، مثل تبريد الدوائر الإلكترونية، حيث تكون الأغشية الرقيقة مطلوبة. لذلك، يمكن أيضًا تصنيع المواد الحرارية الكهربائية باستخدام تقنيات الترسيب البخاري الفيزيائي . سبب آخر لاستخدام هذه الأساليب هو تصميم هذه المراحل وتوفير التوجيه للتطبيقات الشاملة.

لقد أدى التحسن الكبير في مهارات الطباعة ثلاثية الأبعاد إلى إمكانية تحضير المكونات الحرارية الكهربائية عن طريق الطباعة ثلاثية الأبعاد. تُصنع المنتجات الحرارية الكهربائية من مواد خاصة تمتص الحرارة وتولد الكهرباء. إن متطلبات تركيب الأشكال الهندسية المعقدة في مساحات ضيقة تجعل الطباعة ثلاثية الأبعاد تقنية التصنيع المثالية. ^[109] هناك العديد من الفوائد لاستخدام التصنيع الإضافي في إنتاج المواد الحرارية الكهربائية. يسمح التصنيع الإضافي بالابتكار في تصميم هذه المواد، مما يسهل الأشكال الهندسية المعقدة التي لن تكون ممكنة بخلاف ذلك من خلال عمليات التصنيع التقليدية. إنه يقلل من كمية المواد المهدرة أثناء الإنتاج ويسمح بأوقات دوران أسرع للإنتاج من خلال القضاء على الحاجة إلى الأدوات وتصنيع النماذج الأولية، والتي يمكن أن تستغرق وقتًا طويلاً ومكلفة. ^[110]

هناك العديد من تقنيات التصنيع الإضافي الرئيسية التي ظهرت كطرق مجدية لإنتاج المواد الحرارية الكهربائية، بما في ذلك الطباعة النافثة للحبر المستمرة، والطباعة الموزعة، والطباعة على الشاشة، والطباعة الضوئية ، والتلبيد الانتقائي بالليزر . ولكل طريقة تحدياتها وقيودها الخاصة، وخاصة فيما يتعلق بفئة المادة والشكل الذي يمكن استخدامه. على سبيل المثال، يمكن استخدام التلبيد الانتقائي بالليزر (SLS) مع مساحيق المعادن والسيراميك، ويجب استخدام الطباعة الضوئية الضوئية (SLA) مع الراتنجات القابلة للتصلب التي تحتوي على مستحلبات جسيمات صلبة من المادة الحرارية الكهربائية المختارة، ويجب أن تستخدم الطباعة النافثة للحبر أحبارًا يتم تصنيعها عادةً عن طريق تشتيت مساحيق غير عضوية في مذيب عضوي أو عمل معلق. ^{[111] [112]}

الدافع لإنتاج المواد الكهروحرارية عن طريق التصنيع الإضافي يرجع إلى الرغبة في تحسين خصائص هذه المواد، أي زيادة قيمة الجدارة الحرارية الكهربائية ZT، وبالتالي تحسين كفاءة تحويل الطاقة الخاصة بها . ^[113] تم إجراء أبحاث لإثبات فعالية وفحص خصائص المواد للمواد الكهروحرارية المنتجة عن طريق التصنيع الإضافي. تم استخدام طريقة التصنيع الإضافي القائمة على البثق لطباعة تيلورايد البزموت (Bi ₂ Te ₃ ) بنجاح بأشكال هندسية مختلفة. استخدمت هذه الطريقة حبرًا مرنًا لزجًا غير عضوي بالكامل تم تصنيعه باستخدام أيونات الكالكوجينيدوميتاليت Sb ₂ Te ₂ كمواد رابطة للجسيمات القائمة على Bi ₂ Te _3. أظهرت نتائج هذه الطريقة خصائص كهروحرارية متجانسة في جميع أنحاء المادة وقيمة الجدارة الحرارية الكهربائية ZT تبلغ 0.9 لعينات النوع p و0.6 لعينات النوع n. كما وجد أن معامل سيبيك لهذه المادة يزداد مع زيادة درجة الحرارة حتى حوالي 200 درجة مئوية. ^[114]

كما تم إجراء أبحاث رائدة نحو استخدام التلبيد الانتقائي بالليزر (SLS) لإنتاج المواد الحرارية الكهربائية. تمت طباعة مساحيق Bi ₂ Te ₃ السائبة عبر SLS دون استخدام المعالجة المسبقة أو اللاحقة للمادة، أو التشكيل المسبق للركيزة، أو استخدام مواد رابطة. حققت العينات المطبوعة كثافة نسبية 88٪ (مقارنة بكثافة نسبية 92٪ في Bi ₂ Te ₃ المصنعة تقليديًا ). أظهرت نتائج التصوير بالمجهر الإلكتروني الماسح (SEM) اندماجًا كافيًا بين طبقات المواد المترسبة. على الرغم من وجود مسام داخل المنطقة المذابة، إلا أن هذه مشكلة عامة موجودة مع الأجزاء المصنوعة بواسطة SLS، والتي تحدث نتيجة لفقاعات الغاز التي تحاصر في المادة المذابة أثناء تصلبها السريع. أظهرت نتائج حيود الأشعة السينية أن البنية البلورية للمادة كانت سليمة بعد ذوبان الليزر.

كما تم التحقيق في معامل سيبيك، ومعامل الجدارة ZT، والتوصيل الكهربائي والحراري، والحرارة النوعية، والانتشار الحراري للعينات، عند درجات حرارة عالية تصل إلى 500 درجة مئوية. ومن الأمور ذات الأهمية الخاصة معامل ZT لهذه العينات من Bi ₂ Te ₃ ، والتي وجد أنها تتناقص مع زيادة درجات الحرارة حتى حوالي 300 درجة مئوية، وتزداد قليلاً عند درجات حرارة تتراوح بين 300-400 درجة مئوية، ثم تزداد بشكل حاد دون زيادة أخرى في درجة الحرارة. وكانت أعلى قيمة معامل ZT تم تحقيقها (لعينة من النوع n) حوالي 0.11.

كانت خصائص المواد الكهروحرارية السائبة للعينات المنتجة باستخدام SLS مماثلة للخصائص الكهروحرارية والكهربائية للمواد الكهروحرارية المنتجة باستخدام طرق التصنيع التقليدية. هذه هي المرة الأولى التي يتم فيها استخدام طريقة SLS لإنتاج المواد الكهروحرارية بنجاح. ^[113]

تُستخدم المواد الحرارية الكهربائية عادةً في المولدات الحرارية الكهربائية لتحويل الطاقة الحرارية إلى كهرباء. تتميز المولدات الحرارية الكهربائية بعدم وجود أجزاء متحركة ولا تتطلب أي تفاعل كيميائي لتحويل الطاقة، مما يجعلها تبرز من بين مصادر الطاقة المستدامة الأخرى مثل توربينات الرياح والخلايا الشمسية؛ ومع ذلك، قد يتدهور الأداء الميكانيكي للمولدات الحرارية الكهربائية بمرور الوقت بسبب التشوه البلاستيكي والتعب والزحف نتيجة تعرضها لضغوط حرارية ميكانيكية معقدة ومتغيرة بمرور الوقت.

في بحثهم، وجد المرباطي وآخرون ^[116] أن مستويات الإجهاد حول زوايا أرجل الأجهزة الحرارية الكهربائية كانت عالية وتزداد عمومًا بالقرب من الجانب الساخن. ومع ذلك، فإن التحول إلى هندسة أرجل شبه منحرفة قلل من الإجهادات الحرارية. قارن إرتورون وآخرون ^[117] بين هندسة الأرجل المختلفة واكتشفوا أن المنشور المستطيلي والأرجل الأسطوانية تعرضت لأعلى الضغوط. أظهرت الدراسات أيضًا أن استخدام أرجل أرق وأطول يمكن أن يخفف الإجهاد بشكل كبير. ^{[118] [119] [120] [121]} قدر تاتشيبانا وفانغ ^[122] العلاقة بين الإجهاد الحراري وفرق درجة الحرارة ومعامل التمدد الحراري وأبعاد الوحدة. ووجدوا أن الإجهاد الحراري يتناسب مع ، حيث L وα وΔT وh هي سماكة الوحدة ومعاملات التمدد الحراري (CTE) وفرق درجة الحرارة وارتفاع الساق على التوالي. ${\displaystyle \$(L\cdot \alpha \cdot {\frac {\Delta T}{h}})^{2}\$}$

أجرى كلين وآخرون ^[123] تحليلًا للعناصر المحدودة لتكرار الإجهادات الحرارية في وحدة حرارية كهربائية وخلصوا إلى أن الإجهادات الحرارية تعتمد على الظروف الحدودية الميكانيكية للوحدة وعلى عدم تطابق معامل التمدد الحراري بين المكونات المختلفة. أظهرت زوايا الأرجل أقصى إجهادات. في تحقيق منفصل، فحص تورين وآخرون ^[124] توزيع الإجهاد في الوحدات الحرارية الكهربائية الكبيرة المستقلة وتلك المثبتة بشكل صارم بين سطحين للتبادل الحراري. على الرغم من أن الظروف الحدودية غيرت بشكل كبير توزيع الإجهاد، استنتج المؤلفون أن التحميل الانضغاطي الخارجي على وحدة TE أدى إلى إنشاء إجهادات انضغاطية عالمية.

تحتوي المواد الحرارية الكهربائية عادةً على أنواع مختلفة من العيوب، مثل الخلع والشواغر والمراحل الثانوية وعيوب الموقع المضاد. يمكن أن تؤثر هذه العيوب على الأداء الحراري الكهربائي من خلال التطور في ظل ظروف الخدمة. في عام 2019، درس يون تشنغ وآخرون ^[125] التعب الحراري للمواد القائمة على - واقترحوا أنه يمكن تقليل سلوك التعب لديهم عن طريق تعزيز صلابة الكسر عن طريق إدخال المسام أو الشقوق الدقيقة أو الشوائب مع المقايضة التي لا يمكن فكها مع قوة الكسر. ${\displaystyle {\ce {Bi_2Te_3}}}$

يمكن للمواد الحرارية الكهربائية أن تخضع لتحميل صدمة حرارية من خلال ارتفاعات درجة حرارة الخدمة وعمليات اللحام والتعدين. يمكن طلاء الساق الحرارية الكهربائية بالمعادن لتشكيل حاجز الانتشار المطلوب (التعدين) وغمس الساق المعدنية في حمام سبيكة منصهرة (اللحام) لتوصيل الساق بالوصلة المترابطة. في دراسة أجراها بيليتييه وآخرون ^[126] تم تبريد الأقراص الحرارية الكهربائية لغرض تجارب الصدمة الحرارية. لقد أدركوا أن التبريد في وسط ساخن يساعد سطح الأقراص على إنتاج إجهادات ضاغطة على عكس اللب، الذي طور إجهاد شد. تم الإبلاغ عن أن المواد المتباينة الخواص والأقراص الرقيقة تطور إجهادات قصوى أكبر. كما لاحظوا كسر العينات أثناء عملية التبريد في حمام لحام من درجة حرارة الغرفة.

لقد تم قياس الإجهادات الحرارية ودراستها على نطاق واسع في الوحدات الكهروحرارية على مر السنين، ولكن إجهادات فون ميزس شائعة الاستخدام. تحدد إجهادات فون ميزس قيدًا على الخضوع البلاستيكي دون وجود أي معلومات عن طبيعة الإجهاد.

على سبيل المثال، في دراسة أجراها ساكاموتو وآخرون ^[127]، تم التحقيق في الاستقرار الميكانيكي لهيكل قائم على - يمكنه استخدام أرجل حرارية كهربائية بزاوية مع الوصلات الكهربائية والركائز. تم حساب إجهادات قوة الشد القصوى ومقارنتها بقوة الشد النهائية لمواد مختلفة. قد يكون هذا النهج مضللاً للمواد الهشة (مثل السيراميك) لأنها لا تمتلك قوة شد محددة. ${\displaystyle {\ce {Mg_2Si}}}$

في عام 2018، قام تشين وآخرون ^[128] بالتحقيق في فشل تشقق نتوء عمود النحاس الناجم عن الهجرة الكهربائية تحت حمل اقتران حراري كهربائي. لقد أظهروا أنه تحت حمل اقتران حراري كهربائي، سوف يتعرضون لحرارة جول شديدة وكثافة تيار يمكن أن تتراكم عليها إجهادات حرارية ميكانيكية وتطور بنية خاطئة. كما أشاروا إلى أن الاختلاف في معامل التمدد الحراري بين المواد في عبوة الشريحة المقلوبة يسبب إجهاد عدم التطابق الحراري الذي يمكن أن يطور لاحقًا التجاويف للتمدد على طول الكاثود إلى شقوق. ومن الجدير بالذكر أيضًا أنهم ذكروا أن الاقتران الحراري الكهربائي يمكن أن يسبب الهجرة الكهربائية والشقوق الدقيقة والتقشير بسبب درجة الحرارة وتركيز الإجهاد الذي يمكن أن يفشل نتوءات عمود النحاس.

يمكن أن يحدث التحول الطوري في المواد الحرارية الكهربائية بالإضافة إلى العديد من مواد الطاقة الأخرى. وكما أشار المالكي وآخرون، ^[129] يمكن أن يؤدي التحول الطوري إلى إجهاد بلاستيكي كلي عندما تكون إجهادات عدم التطابق الداخلية متحيزة مع إجهاد القص . يتحول الطور ألفا إلى طور مكعب مركزي للجسم. أظهر ليانغ وآخرون ^[130] أنه تم ملاحظة صدع عند التسخين عبر 407 كلفن من خلال هذا التحول الطوري. ${\displaystyle {\ce {Ag_2S}}}$

التشوه الزاحف هو آلية تعتمد على الوقت حيث تتراكم الضغوط مع تعرض المادة لضغوط خارجية أو داخلية عند درجة حرارة متجانسة عالية تتجاوز T/Tm= 0.5 (حيث T هي نقطة الانصهار بوحدة كلفن). ^[129] يمكن أن تظهر هذه الظاهرة في الأجهزة الحرارية الكهربائية بعد التشغيل لفترة طويلة (أي أشهر إلى سنوات). وقد ثبت أن الهياكل ذات الحبيبات الخشنة أو أحادية البلورة مرغوبة كمواد مقاومة للزحف. ^[131]

يمكن استخدام المواد الحرارية الكهربائية كمبردات، تسمى "مبردات حرارية كهربائية" أو "مبردات بيلتييه" بعد تأثير بيلتييه الذي يتحكم في تشغيلها. كتقنية تبريد، فإن تبريد بيلتييه أقل شيوعًا بكثير من تبريد ضغط البخار . تتمثل المزايا الرئيسية لمبرد بيلتييه (مقارنة بثلاجة ضغط البخار) في افتقاره إلى الأجزاء المتحركة أو المبرد ، وحجمه الصغير وشكل مرن (عامل الشكل). ^[132]

العيب الرئيسي لمبردات بيلتييه هو الكفاءة المنخفضة. وتشير التقديرات إلى أن المواد ذات ZT>3 (حوالي 20-30٪ كفاءة كارنو) ستكون مطلوبة لاستبدال المبردات التقليدية في معظم التطبيقات. ^[82] اليوم، تُستخدم مبردات بيلتييه فقط في التطبيقات المتخصصة، وخاصة على نطاق صغير، حيث لا تكون الكفاءة مهمة. ^[132]

تعتمد الكفاءة الحرارية الكهربائية على رقم الاستحقاق ، ZT. لا يوجد حد أعلى نظري لـ ZT، ومع اقتراب ZT من اللانهاية، تقترب الكفاءة الحرارية الكهربائية من حد كارنو . ومع ذلك، حتى وقت قريب لم يكن لدى أي مواد حرارية كهربائية معروفة ZT>3. ^[133] في عام 2019، أبلغ الباحثون عن مادة ذات ZT تقريبي بين 5 و 6. ^{[134] [135]}

اعتبارًا من عام 2010، تخدم المولدات الحرارية الكهربائية مجالات تطبيقية حيث تكون الكفاءة والتكلفة أقل أهمية من الموثوقية وخفة الوزن والحجم الصغير. ^{[136] [137]}

تلتقط محركات الاحتراق الداخلي 20-25% من الطاقة المنبعثة أثناء احتراق الوقود. ^{[136] [138]} يمكن أن يؤدي زيادة معدل التحويل إلى زيادة المسافة المقطوعة وتوفير المزيد من الكهرباء للتحكم على متن السيارة ووسائل الراحة (عناصر التحكم في الاستقرار، والاتصالات عن بعد، وأنظمة الملاحة، والكبح الإلكتروني، وما إلى ذلك) ^[139] قد يكون من الممكن تحويل سحب الطاقة من المحرك (في حالات معينة) إلى الحمل الكهربائي في السيارة، على سبيل المثال، نظام التوجيه الكهربائي أو تشغيل مضخة سائل التبريد الكهربائية. ^{[136] [138]}

تستخدم محطات توليد الطاقة المشتركة الحرارة الناتجة أثناء توليد الكهرباء لأغراض بديلة؛ حيث يكون هذا أكثر ربحية في الصناعات ذات كميات كبيرة من الطاقة المهدرة. ^[136]

قد تجد المواد الحرارية الكهربائية تطبيقات في مثل هذه الأنظمة أو في توليد الطاقة الحرارية الشمسية . ^{[136] [140]}

• راديو بدون بطارية
• التأثير الكهروحراري
• محول حراري

• رو، دي إم (2018) [2006]. دليل الكهرباء الحرارية: من الماكرو إلى النانو . دار نشر سي آر سي. رقم ISBN 978-1-4200-3890-3.

• نصائح وإرشادات حول تطبيق وحدات TE محفوظ في 2010-03-23 ​​على موقع Wayback Machine
• معامل سيبيك
• المواد المستخدمة في الأجهزة الحرارية الكهربائية (الفصل الرابع من أطروحة مارتن فاغنر)
• مادة جديدة تحطم الرقم القياسي العالمي في تحويل الحرارة إلى كهرباء