热电制冷又称之为半导体制冷或温差电制冷，热电制冷最初由法国物理学家帕尔帖研究发现，当直流电通过不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶两端即可分别吸收热量和放出热量，达到制冷目的。半导体制冷系统与传统的机械制冷系统相比具有体积小、重量轻、寿命长、无噪音、无机械运动、制冷迅速等优点，而且不需制冷剂、对环境无污染，因此，目前在电子、医学、工业、航空以及日常生活等领域中被广泛应用。同时在应对温室效应及臭氧层破坏现象方面热电制冷技术作为有效的节能环保技术。其技术是直接将电能转化为热能，并易于与相应控制系统相结合使用是一种低成本的制冷方法。但半导体制冷由于制冷系数低和制冷量小的不足限制了它在大型设备上的广泛应用。若对新型复合材料研究开发应用提高其热电性能和进一步优化改善系统的散热条件，半导体制冷系数和制冷能力会尽可能的提高，热电制冷将能够解决一些大功率器件及恶劣环境下的微电子设备的冷却问题。
1、热电制冷模片的制冷原理
热电制冷模片是用两种不同半导体材料(P型和N型)组成P-N结，当P-N结中有直流电通过时，由于两种材料中的电子和空穴在跨越P－N结移动过程中的吸热或放热效应(即帕尔帖效应)，就会使P－N结表现出制冷或制热效果。目前热电制冷工作的主要理论依据有五大效应，分别为塞贝克效应，帕尔贴效应，汤姆逊效应，焦耳效应以及傅立叶效应。其中帕尔贴效应是热电制冷工作的主要原理，它与塞贝克效应属于反效应。
（1）塞贝克效应,塞贝克效应是将两种金属结合成闭合回路后，在结点处分别设置不同的温度，回路里会产生电动势，这个电动势就是塞贝克电动势，由于它是伴随温差而产生的所以也可叫做温差电动势（电流）。研究表明，温差电动势是与两端结点处的温度差成正比的，所以存在一个比例系数，这个系数被叫做塞贝克系数，它的定义式如下：

（2）帕尔贴效应，帕尔贴效应将两种不同的半导体材料连接成电偶对后通上直流电源在两个节点处会产生温差。
当改变电流的方向时，接点处高温与低温端会发生热量交换。在这个过程中产生的热量被称作帕尔帖热，通过实验研究发现，电流不仅能够影响热流的方向，电流的大小还与帕尔帖热的强度成比例。它的表达方式如下所示：

其中πPN所表示的是帕尔帖系数，I为载入电路的电流强度。
（3）汤姆逊效应,汤姆逊效应是在塞贝克效应和帕尔
贴效应的基础上建立起来的，是汤姆逊在1856年对塞贝克效应与帕尔贴效应进行了热力学原理分析，并总结出两者存在着一种倍数关系。他还在这两种理论的基础上发现了汤姆逊效应。研究发现汤姆逊效应的强度与电流强度和温度梯度成正比，表达式如下：

Q表示汤姆逊效应过程中吸收或放出的热量，称作汤姆逊热；τ为比例系数，是一个常数。I加载到导体上的电流；dT/dx是温度梯度。
（4）焦耳效应，焦耳效应是通过电流时发生的一种不可逆现象，消耗一部分能量并转换成热量。它的计算方法是电流的平方与电阻的乘积：

I是接入的电流强度；R为导体材料的电阻；ρ是导体材料的电阻率；L是导体的整体长度；A是导体的截面面积。
（5）傅立叶效应，傅立叶效应是遵循傅里叶定律的一种效应，傅立叶定律是在1822年被提出的，定义是在单位时间内，通过一个固定截面积的热量，和与该截面垂直方向上的温度的变化率还有导体截面积成正比。表示如下：

其中k是导体材料的导热系数；A为导体材料的横截面积；l是导体的长度；Th是高温处的温度；Tc为低温处的温度；K是总导热系数；ΔT为冷热端的温度差值。
2、热电制冷技术的研究现状
热电制冷技术由于其材料、工艺和其他条件的限制，致使热电制冷技术的整体设备技术性能还远不能与机械式制冷相比。但目前研究者们已在理论模拟、材料性能、结构优化等方面做了大量工作，并取得了很大的成果。特别是在理论方面的研究达到相对成熟的程度，其他方面还处于发展中的状态。目前热电制冷研究主要集中在热电材料方面，其原因为热电材料性能的好坏直接关系到热电制冷的效果，因此，热电材料的开发与研究处于核心地位。而热端温度对热电制冷性能也影响较大，热端散热效果越好热电制冷的效果越好。
2.1理论研究
理论研究相比于实验研究大大减少了人力与物力的消耗，尤其是对于反复性较强的优化实验，理论研究更显现出极大的价值，也可为后续的实验研究者提供有用参考依据。
通过建立数学模型，从热力学和传热学角度对半导体制冷过程作了深入的理论讨论，并进一步从电流强度、气体流速和热电材料的几何尺寸等方面对模型的运行情况进行了系统的研究。建立了金属半导体的数学模型，从理论计算上分析了帕尔贴和塞贝克效应的本质，研究并证明了费米气体和费米液体在热电材料表面换热可以增加热电效率。通过建立数学模型研究了制冷参数与散热强度和电流之间的关系，得出了半导体制冷器的制冷参数随散热强度和电流改变的变化规律，为热电制冷优化设计提供了理论依据。通过仿真模拟热电制冷对热端传热特性进行了研究，通过对热端散热器的物理参数进行优化，研究在不同热端换热器下热电制冷器的性能。对热电制冷计算公式以及特性曲线进行分析得出对热电制冷性能产生影响的因素，并研究了各因素对热电制冷器性能的影响方式。介绍了利用ANSYSWorkbench对热电制冷器进行数值模拟的方法研究了输入电压、热端温度等条件对热电制冷冷热端温度以及制冷系数等的影响，并通过搭建实验平台对数值模拟结果进行实验验证。从目前文献研究来看,半导体制冷技术的理论研究基本趋于成熟。
2.2热电材料
热电材料的优值系数对于热电材料的热电转化效率影响甚大，热电材料性能的好坏完全取决于优值系数的大小。
所以在热电材料的研究上，提高优值系数是主攻方向。目前，较新型的热电材料有碲化物、硫族层状化合物、氧化物等。
研究了用一步合成法用镍锌替换黝铜矿中的元素作为热电材料的替代品。开发一种银掺杂PEDOT:PSS/碳纳米管超轻导电气凝胶热电材料，并发现这种材料具有提高赛贝克系数的3D网络结构，虽然该材料优值系数较低无法投入生产，但也为热电材料的设计和开发利用提供了新的设计方法。采用烧结工艺制备出SiC/β-Zn4Sb3复合热电材料并通过材料图谱分析以及实验测试对热电材料的性能进行了分析，证明SiC含量的增加使β-Zn4Sb3的性能得到提升。利用微波法合成了Ca3Co4O9并研究了其结构与性能。制做了以poly-SiGe作为热电材料的In-Plane微型热电制冷器。
poly-SiGe可在集成电路的生产过程中制作，同时也有较好的热电性能，其优值系数是Si的4-10倍。实验表明，这种In-Plane微型热电制冷器工作时，在大气压环境下其冷端温度比环境温度低0.4K。
2.3结构优化
热电制冷的结构优化包括微观和宏观上的优化。优化结构的目的就是提高热电制冷的制冷效率，强化热电制冷器的制冷效果。建立了由单轨道相互作用量子点和两个不同温度和化学势的金属导线组成的量子点制冷装置，对具有塞曼和库仑效应的热电制冷装置的参数进行优化设计。
提出了热电制冷热电模块设计的新特征因子，为实际设计策略提供了指导，通过优化几何因子来获得更低的制冷温度。通过建立数学模型对梯形两级帕尔帖耦合最佳配置进行了分析，结果表明，在冷热端之间臂长分配比例会对最大制冷量以及能效比产生影响。
2.4热端散热方式
根据制冷量与散热量之间的关系式（Qh=Qc+P）可知，热端散热器散热强度对热电制冷器的制冷效果有很大影响。散热效果对制冷效率的提高起到至关重要的作用，热端温度越高，冷热端温差越大，其制冷量越小，效率越低。较为常见的热电制冷器热端散热方式有空气自然对流散热、强制对流散热、液体冷却散热、热管散热和相变传热。
设计一种热管式热电制冷热端散热器，并配置三种不同功率的热电制冷片进行实验研究，得到不同散热条件下，热电制冷片制冷性能受到的影响。发明设计了一种利用温差来控制风扇转速的新型风冷式散热器，根据需求来调节风扇转速不仅可以降低噪音，还可以延长风扇的使用寿命。设计了一种热端采用自然对流热管散热器的热电制冷箱，并对其性能进行了实验测试得出了设备运行的最佳运行条件。依据热电制冷片热端传热分析设计出热端平板式热管散热器，利用仿真软件对平板热管散热器、普通热管散热器以及翅片板式散热器进行了仿真模拟分析了各自的性能并将三者性能进行对比。
3、热电制冷技术应用领域
热电制冷应用范围极其广泛，小到日常生活用品，大到军事装备都能应用到热电制冷技术。由于其具有体积小的特点，应用于小空间的制冷较多。对于热电制冷多数是应用其制冷能力，比如日常生活中的汽车座椅、车用空调、冷凝除湿、冰箱和CPU散热等。
介绍了热电制冷在汽车座以上的实际应用，将热电制冷器与鼓风机结合使用，根据气候的不同控制热电制冷器的运行制冷或者制热模式。设计了一种将热电制冷与太阳能电池相结合的车载空调，可降低汽车空调初启动时负荷，并对其性能进行了实验研究。深入研究了热电制冷器的除湿能力，先对热电制冷器进行设计，后通过实验的方式在高湿度环境下对热电制冷器进行除湿能力的测试，并对不同冷端除湿结构的热电制冷器进行对比，得出肋片长度与间距对除湿效果的影响。用平板式热管代替传统热管来为热电制冷冰箱热端进行散热，并将平板式热管散热器与传统热管式散热器进行对比，研究两者对热电制冷冰箱性能的影响。研究开发了一种新型热电制冷装置，用于电子芯片的散热，并进行试验对新型热电制冷装置性能进行了测试。
4、热电制冷技术存在的难点问题
目前，热电制冷理论方面的研究还算成熟，但是在实际应用上仍展现出许多的不足，虽然国内外的学者对于提高热电制冷效率进行着努力的研究，可热电制冷还是存在着诸多的研究难题等待人们去解决：
（1）热电材料的优值系数(Z值)对于热电制冷效率的影响是很大的，但是就目前对于热电材料的研究上，在提高Z值方面仍然没有很大的进展。提高Z值仍然是目前在热电制冷材料研究方面的主要问题。
（2）现在大多数的半导体元件价格都是比较昂贵的，在容量较大情况下，整体价格就会过高，在制冷效率相同的情况下，昂贵的价格使得热电制冷成为不被选择的对象，所以需要研究开发出性价比高的热电材料。
（3）影响热电制冷效率的因素还有冷热端的传热方式，因为热电制冷冷热端的温差对热电制冷的性能有一定的影响，所以传热方式也是热电制冷研究的主要研究方面，也是难点。
5、期望
热电制冷作为一种新型制冷技术，目前，被作为世界各国研究的重点和热点。但热电制冷的实际制冷性能与其理论值还有一定的差距。由此可见，热电制冷技术的高效应用还需要未来很长一段时间去达到，要提高其制冷性能，还需从热电材料优值系数（Z值）的提高及热电制冷器结构优化两方面入手。从长远看，热电制冷的最终目标为成本廉价、制冷性能满足实际需求、易于批量生产。此外，优化和改善热电制冷的热端散热方式，对制冷性能影响较大，通过结合优异的导热材料将热端的热量导出，实现热电制冷性能的稳定输出和寿命的延长有重要作用。总之，热电制冷技术在航空、工业以及轻薄化电子产业领域有着广阔的应用前景。为了满足不同特殊场合的需求，热电制冷器技术的多元化发展是研究的方向，这将导致热电制冷模片及其技术应用得到快速发展。 


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