从旅行者1号到智能手表：热电技术如何化“废热”为电？
我们每天都在浪费大量热能——滚烫的汽车尾气，工厂烟囱冒出的热气，人体的体温…其实都蕴藏着可回收的能量。本文将为大家介绍一种特别的技术：不需要用到燃料，只要有温差，就能直接把废热转化为电能——它就是热电发电技术（TEG）。
一、温差发电（塞贝克效应）
热电发电技术的核心，是一种由两种半导体材料组成的“三明治”结构：
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N型材料富含自由电子
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P型材料充满“空穴”（可理解为正电荷载体）
当热电片一端受热、另一端保持冷却时，就会形成温差。在温差驱动下，N型和P型材料中的载流子分别向冷端迁移，从而在外电路中形成持续电流。
虽然温差发电产生的电量不大，但足够点亮小灯，甚至能给手机充电。比如太空探测器中的核电池、户外露营炉上的USB充电口，都基于这一技术。凭借安静运行、高可靠性、免维护等优势，温差发电技术主要适用于太空、户外等传统发电机无法工作的场所。
二、应用场景：从太空应用到日常应用
太空应用：自1977年发射以来，NASA的“旅行者1号”探测器已飞越240亿公里，至今仍在传回信号——这一切都依赖于其搭载的放射性同位素热电发电机（RTG）。 每台RTG利用4.8千克钚-238衰变产生约2400W热能，再通过碲化铅（PbTe）等热电材料将热能直接转化为电能，稳定输出约157W电力，持续支撑着与地球的通信链路。不仅如此，“好奇号”火星车、“新视野号”冥王星探测器等也同样采用了温差发电技术——无需阳光，就能在真空、极寒和强辐射环境中可靠运行数十年。
工业应用：在内燃机汽车中，有60%~70%的燃料能量以废热形式流失。为了实现废热再利用，在排气管上加装TEG模块（热端温度可达200°C以上，与冷却端形成显著温差），能够回收发动机废热中5%~10%的能量。这些能量可以驱动车载电子设备或辅助充电，从而降低油耗。同样的，我们也可以在钢铁厂、玻璃窑炉、锅炉等高温工业设备中部署TEG系统，将原本废弃的热能转化为清洁电力。
日常应用：人体皮肤和周围环境通常会有一定温差。通过柔性TEG薄膜，可将这一微小温差转化为持续的微弱电力，为智能手表、健康监测贴片等设备供电。在山区、户外或灾害现场，还能借助明火和空气间的温差，为LED灯、手机等设备提供应急电源。
三、技术挑战与未来展望
目前，温差发电的主要瓶颈仍是发电效率偏低——商用热电材料的发电效率仅为5%~8%，远低于蒸汽轮机（40%以上）。此外，高性能热电材料通常依赖碲、铋、锗等稀有元素，不仅成本较高，且在200°C以上易发生氧化，导致性能衰减甚至失效。
尽管如此，温差发电依然拥有广阔的市场前景。近年来，科研人员已成功研制出ZT值突破3.0的新型热电材料，如纳米结构Bi₂Te₃、拓扑绝缘体以及有机-无机杂化体系，显著提升了热电性能。与此同时，柔性热电薄膜和3D打印集成技术的快速发展，推动热电装置贴合曲面、嵌入织物，甚至可以直接“穿”在身上，这也为温差发电的未来应用创造了更多可能性。在不久的将来，热电材料或许会像墙纸一样贴在建筑表面，利用室内外温差进行发电；也能为海量物联网设备提供免充电、自持续的电力——让每一度温差，都转化为实实在在的能源。
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