决定热电效率的热电自由度

由于热电效应，热能可直接转换为电能。由于这种转换实现了废热回收与能量收集等清洁能源技术，人们已作出大量努力寻找热电材料。在材料优值 $zT$ 代表热电器件能量转换效率这一信念下，半个世纪以来人们探索了各种高峰值-$zT$ 材料。然而，热电性质随温度 $T$ 变化很大，因此单一数值 $zT$ 并不能准确代表器件效率。在此我们表明，热电转换效率完全由 \emph{三个} 参数 $Z_{\mathrm{gen}}$、$\tau$ 和 $\beta$ 决定，我们称之为 \emph{热电自由度}。$Z_{\mathrm{gen}}$ 是材料性质的平均值，是传统优值的推广。$\tau$ 和 $\beta$ 反映材料性质的梯度，分别正比于由 Thomson 效应引起的逃逸热和非对称 Joule 热。我们的发现为实现高热电效率提出了新方向：增大任一热电自由度均可提高效率。例如，通过分段腿中调节热电自由度，热电效率相比单材料腿的最佳效率可提升高达 176\%。