将一股电流通入由半导体材料构成的回路中，此时n型半导体和p型半导体的多数载流子会从温度低的一端向温度高的一端迁移并带走温度较低一端的热量，此时在该元件的上半部分会因为吸收了外界的热量而使其周围的温度降低，从而实现热电制冷的应用。如果我们通入方向相反的电流，则会在该原件的上半部放出热量，从而实现热电制热的应用。

      图1.2(a) 温差发电图[4]                    图1.2(b) 热电制冷图[4]

热电材料被广泛的应用在温差发电和温差制冷两方面。根据上文的描述我们可以了解到，热电材料能够利用帕尔贴效应实现热电制冷，利用塞贝克效应来实现温差发电，然而热电材料在实际当中的应用还要由该材料本身的热电性能即热电转换效率决定。在最佳工作电流状态下，热电发电机的最大效率可以用下式来表示：

η=(1-T_cold/T_hot )√(1+Z¯T-1)/(√(1+Z¯T)+T_cold/T_hot )                      (1.7)

而热电致冷器的效率可用下式来表示：

η=(T_cold/T_hot -1)√(1+Z¯T-T_cold/T_hot )/(√(1+Z¯T)+1)                      (1.8)

式中：Thot和Tcold分别为热电组件中热冷两端的温度。¯T为平均温度。Z¯T称为热电优值，其定义为：

ZT=(α^2 σ)/κ T                               (1.9)

其中，α是塞贝克系数，σ是电导率，κ是热导率，T是平均温度(简略起见不再用¯T)。热电优值 ZT 是评判材料热电性能好坏的重要参数，材料的热电效率越高，其ZT值就越大，目前已知的绝大多数热电材料的ZT值都在1附近，而与之相应的热电转换效率和理想卡诺机的循环效率相比，热电转换效率远不及循环效率。低的能量效率限制了热电材料更为广阔的使用。上一公式是德国科学家阿特克希提出的[6]。从上文给出的热电制冷器的最大工作效率表达式中可以看出，热电材料的温差∆T和ZT值越大，其制冷效率就越高。而从热电致冷器的效率定义式可以看出，一种拥有较好热电性能的热电材料需要同时满足高的电导率，高的塞贝克系数和较低的热导率这三种条件，三种条件缺一不可，即热电材料的性能由这三个物理量决定：热电材料的塞贝克系数越高，其热电效应就越明显；电导率越高，工作时释放的焦耳热就越少；热导率越低，热量就越容易聚集。这三个参数是相互影响的，一个参数的改变也会带来其余两个参数的变化。所以，我们在应用某种热电材料时必须要合理的调整材料的每个参数，来得到其最大的热电优值。

1.2 Bi2Te3热电材料研究背景及现状

1.2.1 Bi2Te3的发展历史

在1950年到1960年期间，Bi2Te3被首次应用到相关行业。人们在1954年发现以Bi2Te3为正极，以Bi为负极组合而成的热电偶对产生的温差可以达到26℃。而在1955年，Bi2Te3又被分别掺入了受主杂质Pb和施主杂质I，产生了40℃温差[7]。不多时，温差进一步扩大到了65℃。随后，Bi2Te3此类简单化合物又被约飞等人用Sb2Te3和Bi2Se3这样更复杂的固溶体替代，并提出为了提高对声子的散射，可将材料短程有序地破坏，而维持其长程有序性则为载流子的迁移提供了保障。而Rosi在深入研究了Bi2Te3后的提出，这类材料的ZT值可能可以到达1，冷端温差至多可达80。P型和N型Bi2Te3基半导体热电材料成分分别是Bi0.5Sb1.5Te3和Bi2Te2.7Se0.3时，其热电性能达到最佳

自Bi2Te3被世人所了解之后，人们便从未停止过研究的脚步。相当一部分研究人员将精力投注在改善Bi2Te3的力学性能方面，而不光是提高其热电性能。为了使其力学强度更上一层，人们引入烧结的方法来代替原来的熔炼法得到Bi2Te3合金。但是N型材料这样的多晶材料由于Bi2Te3的各向异性，其热电优值会因此减小。为了保证晶粒的取向有序并进一步提高机械强度。人们又利用挤出过程发明了优化取向的烧结方法。如今新开发的热电性能稳定可控的小型电器元件消除了原先热电元器件的诸多缺点如：因体积过大而易破碎，不均匀的热电性能等等。新的小型电器元件保证了其整体性能接近于材料的热电性能。