由SPECIFIC团队研发的用于热电转换的新3D打印技术。@SPECIFIC团队——斯旺西大学。
从Matthew Carnie副教授位于英国斯旺西大学的办公室里向塔塔钢铁厂的炼钢炉望去，视野非常好。在部分人看来，这些塔尔伯特港上耸起的烟囱非常不雅观，而Carnie却视之为机遇。这些烟囱排放了工厂产生的大部分废热，总能量接近部分核电厂的功率输出——根据Carnie的计算，这部分能量约有1,300兆瓦。
为捕获这些潜藏的能量，Carnie及其研究团队已经研发出了一种混合的3D打印半导体材料，能够将废热转化为电能。这种新材料比另一种廉价的半导体材料——碲化铅的效率高了50%，而且采用丝网印刷，可以非常方便地组装到设备上。根据组装场景的不同，它最高可以达到10%的热量转化率。
Carnie表示，“理论上讲，它们可被用于任何存在优质废热的场合，同时输出功率帮助改善能量转换效率。”英国工厂所消耗的能源中有六分之一是以废热的形式排放到大气中的，因此这一材料的发展潜力巨大。
Carnie具有印刷光电方面的专业知识，最近一直在探索热电转换领域。像半导体和导体这样的材料，当热电子从热的部分流入相对冷的部分就会在其中产生电压。迄今为止，能够得到的最高效的半导体材料是由硒和锡组成的硒化锡。不过尽管它一直保持着废热转化效率最高的记录，却一直没能商用。
为了解决这个问题，Carnie可能需要合适的设备——一些能够利用等离子烧结材料或在高压和超过数百开尔文的环境下压缩材料的机器。然而这些设备不在他的预算中。
Carnie设想将一些他所了解的印刷光电材料转化为热电材料。他询问团队中的博士后研究员Matthew Burton，能否将硒化锡转换为油墨。之前没有人这样干过，Burton也对此存疑。但Carnie却通过混合硒粉、锡粉、有机粘合剂和水做到了。
随后Burton将制成的油墨倒入边长约10毫米的小型立方体模具中，并在烤炉中以120摄氏度烘干。最后，他在800多开尔文的温度下烘烤前面得到的立方体材料，消耗掉其中的有机粘合剂。
Carnie表示，第一批测得的效率比较可观。在热电设备领域，效率用所谓的“品质因数”来衡量，简称为ZT。任何ZT值高于1的材料都是非常有前景的。Burton的测试的第一块立方体材料的ZT值约为0.5，改进胶粘剂和锡/硒的配比后ZT值提高到1.7。
Carnie表示，“这是以此方式生产的热电材料的新纪录。”
Carnie说还要做进一步研究。首先，他们已经成功制造出了必需的两种半导体材料中的一种——用来承载热电子的，接着还需要制造出电子流向的“冷的”那一侧（半导体材料）。不过2019年秋，塔塔钢铁厂计划资助一名博士生帮助Carnie团队完成第二部分工作。最后，这两种材料将被放在陶瓷基的两侧，像三明治那样，制成一部热电设备。
Carnie认为最终钢铁厂是否采用这一系统取决于其成本。但他很有信心。室温下油墨非常容易混合，另外，如果他们可以将油墨注入一种基于喷管的系统并通过连续生产的方式来喷涂它，成本将能极大地降低。
作者：Tracy Staedter
翻译：张宇哲
审校：董子晨曦
引进来源：IEEE
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