传统制冷剂的困境

当下空调、冰箱和热泵中使用的制冷剂，都是专门设计的工作流体，但它们普遍存在泄漏、温室气体排放、安全隐患以及回收利用率低等问题。这些因素使得寻找更安全、更环保的替代技术成为迫切需求。

圣母大学研究人员近期在期刊《Materials Horizons》上发表的一项研究，提出了一种面向下一代制冷的替代方案——基于热电技术的制冷系统。这类系统不依赖气态制冷剂，也没有机械运动部件，从源头上实现了“零泄漏”的制冷方式。

热电技术的潜力

“如果能让热电设备在性能和成本上具备竞争力并实现商业化，它将彻底改变我们的制冷方式。”圣母大学航空航天与机械工程系高级材料与制造方向教授张彦良表示，“我们可以让制冷过程变得真正环保。”

过去，热电技术难以大规模应用，主要受制于传统制造工艺成本高、工序复杂等问题。为此，张彦良团队开发出一种基于墨水的创新印刷策略，使热电材料和器件能够以更低成本实现高性能，并具备规模化制造的可行性。

基于墨水的印刷策略

研究指出，这些新型热电材料在电子设备、医疗器械、汽车、数据中心以及建筑等场景中的局部节能制冷方面，具有显著优势。这些进展为开发高效、紧凑、无需传统制冷剂的制冷系统奠定了基础。

“这些设备的制冷效果非常突出，而且非常适合大规模工业生产。”张彦良说，“我们可以更快、更低成本地制造设备。我认为我们工艺最大的优势就是简单易行。”

他进一步解释道：“我们采用刮涂或丝网印刷工艺，直接将初始墨水印刷成最终器件图案，这与T恤丝网印刷图案的过程类似。但我们的墨水中含有银和硒，经过印刷和后续处理后转化为热电材料。我们发明了一种与印刷工艺高度兼容的墨水配方，便于实现规模化生产。”

通过这一工艺，团队成功制备了用于非制冷剂热电冷却器的关键组件。

银硒合金墨水的开发

在工艺开发初期，研究人员将银和硒元素粉末混合制成墨水时发现，两者会迅速反应生成硒化银合金。“这种快速的化学反应大大加快了制造过程，同时降低了成本。”张彦良介绍。随后，团队对银和硒的配比进行了系统优化，以获得更优的热电性能。

测试结果显示，与当前最先进的块体热电材料相比，优化后的印刷材料在室温下实现了具有竞争力的P型和N型性能。团队早期工作主要集中在印刷P型热电合金，而这次开发的银硒合金则用于制备N型热电材料。完整的热电制冷器需要同时集成P型和N型组件。

向高性能设备迈进

“我们正在继续研究如何把高性能材料转化为高性能器件。”张彦良表示，“下一步是探索如何将P型和N型半导体与金属电极有效集成，并把所有组件连接成一个完整的系统。”

他补充说：“我们希望进一步提升材料和器件的整体性能，让暖通空调和制冷行业能够有足够信心采用这项技术。我们的目标是推动技术走向市场，最终服务整个社会。”