薄膜冷却器使固态制冷效率翻倍

能够随时主动降温到低于环境温度，而不仅仅是散热，是现代世界的标志之一。

仔细想想，这三个字关于制冷影响的简单阐述中蕴含了许多真理和洞见。追求更好的主动冷却包括利用流体压缩/膨胀的机械驱动系统、固态热电冷却器（TEC，如佩尔帖器件）以及其他利用各种热物理原理的装置。

新型固态热电制冷系统

现在，约翰斯·霍普金斯应用物理实验室（APL）的研究人员与三星研究院生命解决方案团队合作，创造了一种新的固态热电制冷系统：其效率是使用标准散装热电材料的两倍，且被认为制造简单。这些成果得益于APL开发的高性能纳米工程热电材料，即受控分层工程超晶格结构（CHESS）。

散装热电材料并非新鲜事物——它们已被应用于小型产品，如迷你冰箱、局部组件冷却或光收发器温度管理。然而，其低效率、有限的传热能力以及与半导体芯片制造的兼容性不足，限制了其在更大、高性能应用中的应用。

利用CHESS薄膜材料

他们在p型Bi2Te3/Sb2Te3材料系统和n型Bi-2Te 3/Sb 2Se0.3材料系统中，采用了金属有机化学气相沉积（MOCVD）生长的CHESS（见图1）。

1. （a， b） P型和N型材料中CHESS结构示意图;（c） TEM截面数据示例;（d） 高分辨率的 XRD 数据，显示 （0015） 反射，显示 CHESS 周期性与透射电子元件（TEM）匹配;以及更宽的 2Ɵ-ω 扫描（30–70°）嵌入，显示外延薄膜的 C 平面取向。

研究人员与三星团队合作，在同一商业冰箱测试系统中，比较了使用传统散装热电材料的制冷模块与使用CHESS薄膜材料的制冷模块，采用标准制冷测试。

他们通过量化热载荷和热阻参数验证了热模型，以确保在实际条件下的性能评估准确。他们的目标不仅是评估“芯片”层面的性能，还要考虑在模块级冷却层面应用这些器件。

利用CHESS材料，APL团队在室温（约80°F/25°C）下，效率几乎提升了100%，相较传统热电材料（见图2）。

2. 特写CHESS热电装置上的测试和结冰过程。

他们将这些材料层面的提升转化为使用CHESS材料制造的热电模块器件层面效率提升近75%，以及全集成制冷系统效率提升70%（见图3）。每一种都比最先进的散装热电装置有了显著提升。

3. （a） 从冰箱六面考虑热量流入制冷系统;（b）用于计算制冷机组每面热负荷的热电路;（c）通过绝缘墙的定性温度分布;（d-g）TFTEC模块集成到制冷系统的详细信息。

这些热电材料的优点指数（ZT）比传统散装材料（约300K）好100%。他们还展示了模块级的ZT超过75%，以及系统级制冷的ZT比散装设备优70%。这些薄膜热电模块的性能系数比散装器件高出100%至300%，具体取决于具体作场景（见图4）。

4. 来自（a）三星提供的散装TEC模块（含241对）和（b， c）两个80对和77对TFTEC模范模块的制冷数据。

CHESS方法的制造优势

从制造角度来看，CHESS方法也非常有吸引力。首先，薄膜技术仅使用0.003立方厘米的制冷单元。这意味着APL的热电材料可以配合半导体芯片生产工具批量生产，提升成本效益并实现广泛市场采纳。

此外，CHESS材料采用了成熟的MOCVD工艺，该工艺以其可扩展性、成本效益高以及支持大规模生产能力著称。