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热电技术可实现热电之间的直接转换，为余热回收、固态冷却、可穿戴电子产品和热管理等应用提供独特的优势。提高热电器件（TED）的能量转换效率既需要材料成分和结构的进步，也需要器件设计的创新。本文首先概述了热电转换的基本原理，然后总结了过去五年在热电材料和TED架构方面的主要发展。它涵盖了热电机制、高性能材料以及优化塑料块状、薄膜和纤维基材料的策略的最新进展。该综述还研究了评估TED性能的方法，探索了计算机辅助制造支持的新设计范式，并强调了固态、小型化和柔性TED（F-TED）的进步。给出了具有代表性的设计策略和应用场景。最后，讨论了热电材料和器件的当前挑战和未来方向，以指导该领域的持续创新。

创新点

1.多尺度材料优化：提出从原子级掺杂调控到宏观结构设计（如超晶格、纳米复合）的全链条材料优化策略，突破传统ZT值限制。

2.器件-系统协同设计：将计算机辅助制造（如拓扑优化、机器学习逆向设计）引入TED开发，实现热场/电场分布的精准匹配。

3.柔性器件突破：通过仿生结构（如褶皱电极、可拉伸互联）解决F-TED在弯曲状态下的界面应力与热阻矛盾。

对科研工作的启发

1.跨学科方法论：热电研究需融合凝聚态物理（声子输运调控）、材料化学（缺陷工程）、机械工程（微纳热管理）等多学科工具，启示研究者构建复合知识体系。

2.逆向设计思维：借助高通量计算筛选材料组分（如半赫斯勒化合物）与有限元仿真优化器件构型（如分形流道），可加速其他能源器件的研发进程。

3.失效机制研究：长期服役中热循环导致的界面扩散、机械疲劳等问题，提示需建立材料-器件-环境耦合的可靠性评价标准。

原文链接

Toward Efficient Thermoelectric Materials and Devices: Advances, Challenges, and Opportunities

Pub Date : 2025-07-30

DOI: 10.1021/acs.chemrev.5c00060

Xiao-Lei Shi,Nan-Hai Li,Meng Li,Zhi-Gang Chen