热电材料含有多种能转化热能和电能的固体化合物。这一特性导致了加热冷却设备温度梯度开发和废热发电两种不同的技术应用。
热电材料的转换效率与无量纲优值有关，ZT（公式1）：
ZT = S2σT/κ
S = 塞贝克系数
σ = 电导率
κ = 热导率
T = 绝对温度
塞贝克系数，或热功率，是测量每个单位温差产生的电压量，通常是μV/K表示。因此，要获得高质量的热电优值，需要保持高电导率和高热功率，同时限制热导率。
如图1所示，典型的热电模块包括串联n型和p型热电材料。N型材料具有电子载流子和负塞贝克系数；相反，P型材料具有正塞贝克效率和空穴电荷载流子。在模块上施加温度梯度会将载流子扩散到冷侧，从而产生热电压。
图 1.典型热电模块的示意图。n型（红色）和p型（蓝色）材料的小腿串联连接，然后夹在陶瓷基板之间。在发电过程中，热量应用于模块的一侧，导致电荷载流子在模块上扩散并产生电流。
ZT取决于模块的工作温度，过去几十年所有温度范围内的原型材料都保持在1左右。这些材料包括室温(300 K）在中等温度(650)下使用的锑和铌化铋 K）以及高温(10000 K）下硅锗合金。
先进热电材料开发的主要挑战之一是S、σ和κ解耦，它们通常相互依赖。一种解决方案是通过纳米结构降低晶格对导热性的贡献。载热声可以通过引入大量纳米级晶体边界来分散。这种方法使Bi-Sb-Te合金ZT显著改善。3 在这项研究中，纳米颗粒粉是通过机械研磨大型铸锭而产生的。获得的粉末通过在真空下高温加压固结，产生了ZT约1.5的块状样品。PbTe-Agsbte假二元系统中的相干纳米包裹体相也产生了低热导率和高ZT值（> 1)。这是通过生产本体基质中含有纳米沉淀物的材料来实现的。4 最后，具有定制电子结构的热电材料合成显示出令人满意的结果，采用ZT1.5左右取代Pbte。5
热电材料的大规模合成通常采用粉末冶金和高温熔体合成等标准冶金技术进行。由于杂质会对电导率和电荷载流子浓度产生负面影响，因此高纯度元素前体(见下列表)对控制物理性能至关重要。此外，使用高纯度起始材料可以一致准确地控制最终材料的组成，这对于涉及故意掺杂/替代和电子能带结构的定制研究至关重要。
其他合成热电材料的方法包括溶液相路径，如溶剂热合成和多元醇还原路径。这些过程在溶剂、表面活性剂和还原条件的选择上可能存在很大差异，但所有过程都集中在离散粉末中，离散粉末沉淀在金属有机盐和金属卤化物盐中，如硝酸铋和乙酸铅的阳离子溶液中。6-7 合成热电材料的化学途径可以直接到达纳米级材料，也侧重于去耦电导率和热导率，通过声子散射降低热成分。
通过发现新的可持续能源，提高发电技术的效率，可以满足对可靠能源的持续需求。热电材料是一种通向替代能源的方法，可以将废热转化为电能，显著提高发动机循环效率。这种节能方法也可能有助于回收汽车尾气和电子设备的能量损失。
表1.高纯度金属产品用于热电应用
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