针对存量巨大的低品位热能（low-grade heat，包括空气中的热量、海水中的热量、大地中的热量,工厂生产过程中产生的大量的余热、废热,以及汽车尾气排放的热量等）的开发，具有极大的经济和环境潜力。当前主要有三种技术可以支持这种热-电转变，包括热电器件（thermoelectrics）、热离子电容器（thermionic capacitors）和热电池（thermocells）。尽管三者的工作原理不同，但本质上三者都是属于将输入的温度差ΔT转变为器件电压输出ΔVD的热机，从而驱动外部电路。ΔVD/ΔT之比是能量转换器件的数值性能指标，它与热电动势（thermopower）相关，但并不等同。近日，中科院上海硅酸盐研究所史迅与美国克莱姆森大学Jian He针对上述三种不同的热-电转换技术简单总结，并以“Thermopower and harvesting heat”为题发表在《Science》上。
"热电的概念起源于塞贝克效应（Seebeck effect）。当在电子导体上施加温度差ΔT时，电荷载流子会从热端扩散到冷端，直到材料中产生的开路电压差（ΔVM）抵消了进一步的扩散。由于温度差ΔT导致了载流子的浓度梯度，可以用ΔVM来测量电化学电势差。因此，电子导体的热电动势可用ΔVM/ΔT表示，其符号表示多数载流子的类型，大小与每个载流子电荷的平均熵有关（类似于µV / K）。同样的，可以通过离子导体的索雷特效应（Soret effect）定义离子热电动势（mV / K）。
三种不同的热-电转换装置
【原理多样，评价需谨慎】
尽管热电器件和热离子电容器分别建立在材料的塞贝克效应和离子索雷特效应之上，但器件的构成不仅只有活性材料。除了活性材料和电极的开路电压差ΔVM会导致电压输出ΔVD之外，化学反应也可能导致电压差。而对于含有氧化还原偶电解质的热电池来说，它的电压输出ΔVD包括了热扩散（thermodiffusive）和热电偶（thermogalvanic）电压。因此热电池的ΔVD/ΔT几乎不能反映活性材料的热电动势。
因此，不论是理论还是实践，ΔVD/ΔT之比都热电动势不同。因此用材料热电性能系数的公式，或是在表面上比较ΔVD/ΔT之比来评价器件的性能是错误的。由于ΔT是能量转换过程的共同驱动力，所以ΔVD产生的具体原因决定了器件的工作模式。热电设备和热电池以连续模式工作，功率密度是主要性能指标。同时，热电子电容器的工作模式是间歇性的，其性能应像普通电容器一样，通过功率密度和能量密度来评估。
不同器件的对比
当前已报道的热离子电容器和热电池中高达mV / K的高ΔVD/ΔT比值对可穿戴电子设备应用是至关重要的，但存在着某些取舍。对于热离子电容器和热电池而言（见图），归一化的最大功率密度PA-1ΔT-2比热电器件低至少一个量级。这种差异是较大的内部电阻引起的。而缩短电极间距虽然会减小内阻，但同时会减小驱动力ΔT。与普通电容器和电池的eV级驱动力相比，ΔT=20 K的低品位热能收割相当于1.72 meV。由于驱动力较弱，热离子电容器的功率密度和能量密度比普通电容器和电池低几个数量级。
【未来发展方向】
设备中能量转换过程的多重性质进一步解释了这些性能差异，这也是挑战和机遇。多重能量转换过程的效率取决于每个子过程的效率以及子过程的耦合。热电是具有最简单工作原理的单一过程。内部和外部电路中的工作介质都是电子。热电子电容器的能量转换过程是双重的，其离子扩散是由ΔT和累积离子与电极之间的相互作用驱动的。而热电池的能量转换过程包括由ΔT驱动的离子扩散、化学反应引起的离子浓度梯度、电极上的氧化还原反应以及电解质和电极之间的相互作用。了解这些差异对于开发低品位热能储备技术至关重要。
