將廢熱轉化為電能  新材料為片上能量收集打下基礎

編譯／高晟鈞

來自德國、義大利和英國的研究團隊在開發適合片上能量收集的材料方面取得了重大進展，透過合成由矽、鍺和錫製成的合金，成功製造出一種熱電材料，可以將電腦處理器的廢熱轉化為電能，並無痛與現在晶片生產的CMOS製程整合。

難以利用的低溫廢熱

隨著電子設備的普及度與技術大幅上升，消耗的能源也呈指數上漲。然而，其實電子設備運行的大部分能量，都以熱的形式消散到環境中。

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在歐洲，每年約有12萬兆焦耳的（10¹⁸J）的低溫廢熱被IT基礎設施、設備（例如資料中心和智慧設備）浪費，相當於奧地利或羅馬尼亞的一整年的初級能源需求總量。可惜的是，由於熱力學效率差和技術限制，這種低於80°C的低品質廢熱難以被利用。

因此，將低溫熱量直接用於電腦處理器似乎是一個理想的解決方案，但能夠將熱量轉化為電能的材料非常少，而且沒有一種材料與半導體製造廠的現有技術相容。

熱電應用的理想組合

熱電元件能將溫差直接轉換為電能。當熱電材料上存在溫度梯度時，它會引起電荷載子流動，從而產生電力。該過程可用於捕獲和回收電子設備中的廢熱，將其轉化回可用能源並減少整體能源消耗。對於熱電材料來說，較低的導熱率是可取的，因為它允許更大的溫度梯度，這對於有效的能量轉換至關重要。

研究團隊透過在鍺中添加錫，成功顯著降低材料的熱導率，同時保持其電性能。透過將這些合金整合到矽基電腦晶片中，可以利用運作過程中產生的廢熱並將其轉換回電能，這種片上能量收集可以顯著減少對外部冷卻和電力的需求，從而實現更永續、更有效率的IT設備。

資料來源:TechXplore

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