热电转换效率问题：来自相变附近电子气热力学的见解

现代热电发电与制冷的瓶颈在于热电材料的低能量转换效率。晶格声子对性能的有害影响可加以缓解，但实现高热电功率因子仍是一大难题，因为塞贝克系数与电导率无法同时提高。热电材料中的传导电子气是执行能量转换的实际工质，因此其性质决定了理论上可达到的最大效率。通过将电子工质的热弹性性质与其输运性质（考虑非相互作用电子系统）相关联，我们阐明了常规半导体材料性能注定维持低水平的原因。通过在二维系统中进行理论分析以及薄膜中的实验分析功率因子的温度依赖性，我们发现，在电子相变的涨落区中，由于电子气可压缩性的增大，热电功率因子可显著提升。我们还计算了非相互作用电子系统在宽温度范围内忽略声子效应及与热源和冷源耗散耦合的理想热电转换效率。我们的结果表明，将电子系统驱动至相变附近确实可成为增强效率的创新路径，但代价是此类材料可用温度范围极窄，这反过来阻碍了其在所需宽温域热电能量转换应用中的潜在发展。