热电器件是实现从热电材料向热电转换技术跃升的核心环节，与迅猛发展的热电材料科学相比较，热电器件的研究相对滞后，且大部分工作集中在材料性能的原理性验证。热电器件集成技术涵盖了热、力、电、物理、化学、材料等多学科交叉的科学与技术问题，由于缺少成熟的结构设计方法与通用的集成制造技术，长期以来实用化器件的性能没有明显提升（见图7）。例如：美国JPL早期研制并长期使用的SiGe 和PbTe 基器件的转换效率仅分别为~7%和7.6%[9，13]；2010年前后，随着新材料性能和多段结构宽温域器件技术的发展，JPL元器件的转换效率达到了10%~15%。

图  7  近年来热电器件转换效率的发展

Figure 7.  Conversion efficiency for thermoelectric modules in recent years

热电器件的实际转换效率、输出功率等性能不仅受到热电材料的物理性质和服役环境的制约，而且与器件的拓扑结构紧密相关。过去的几十年中，热电器件的设计虽然实现了几何结构模型的三维化，但在电流和热流传导计算过程中仍然采用一维或准一维模型，即：通过材料热电性能温度依存关系的线性化、忽略汤姆孙效应（Thomson effect）、不考虑对流/辐射等简化或假设，将器件内部三维分布的电流和热流传导过程简化为一维关系。然而在真实器件中，复杂的几何结构决定了器件中热流和电流分布的三维特征不可忽视，增加了器件优化设计的难度。基于有限元的三维模型计算方法，不仅可以实现对器件热流、电流等全参量的三维仿真模拟，而且在仿真计算中可以全面考虑热电器件的拓扑结构（几何形状、尺寸、连接方式等）、电流与热流耦合匹配、异质界面结构（电极/热电材料、电极/绝缘基板、填充材料等）要素对器件输出性能的影响，从而实现了复杂结构器件的优化设计（如图8所示）[26]。通过对各个影响要素进行多参数耦合分析，可获得实现不同目标（最大输出功率、最大转换效率、最大质量比功率或最大功率密度等）的最佳设计方案。

在器件设计方法突破的同时，器件高温电极的匹配设计、界面结构与性能的演化规律、防护涂层与器件封装等技术不断突破[27-29]。 RTG可用的中温PbTe和方钴矿器件、高温SiGe和半赫斯勒器件的电极材料、界面材料及其连接技术[30]，中高温热电转换器件的集成技术比较相似，通常选用高热导、高电导，且高温稳定、热膨胀系数与其连接的热电材料匹配的高温电极，采用钎焊、高温焊或弹簧压接的方法进行连接和集成。值得强调的是，为了防止在长期服役过程中高温电极与热电材料之间的界面反应或界面扩散导致结构损伤和功能衰减，必须引入扩散阻挡层来提高中高温热电转换器件的可靠性和服役寿命。典型热电材料的力学性能[18]中多数热电材料都是脆性材料，其力学性能直接影响器件和发电系统的结构可靠性[28]。因此在实际服役中热电材料和器件必须通过严格的空间力学环境试验考核。此外，热电材料和器件长期处于放射性同位素热源的强中子辐照环境，材料的抗辐照损伤性能也是影响器件可靠性关键。

图  8  热电器件全参数优化设计逻辑框架与典型设计结果

Figure 8.  Logic framework and typical results of full parameter optimization design for thermoelectric devices

近年来，我国新型热电器件的能量转换效率等输出性能得到快速提升。例如：在中温方钴矿（SKD）器件方面，Zong等采用石墨烯复合的SKD材料制备的单级器件转换效率超过8%[30]；Zhang等采用纳米复合SKD材料制备的单级器件转换效率可达9.3%[31]；Chu等基于反应扩散模型对电极界面的扩散阻挡层进行了优化设计，采用Nb作为扩散阻挡层的单级SKD器件转换效率突破了10%[32]。在高温半赫斯勒（HH）器件方面，Fu等首次采用新型高热电性能的ZrNiSn（n型）和FeNbSb（p型）基HH材料制备的单级器件转换效率和功率密度分别达到6.2%和2.2 W/cm[21]；Xing等在优化了HH材料制备工艺、并引入低能量损耗的器件集成技术后，将HH单级器件的转换效率提高至9.6%[33]。最近，在全参数模型的基础上，Xing等又提出了“双高”器件（即：同时具有高转换效率和高功率密度）的设计策略，通过功率因子优先和热导率匹配的原则指导材料成分和器件结构的优化设计，经过自上而下的设计优化，HH单级器件转换效率突破10%，且同时实现3.1 W/cm的高功率密度[34]。

目前，所有均质热电材料都只能在一定温度区间内达到其最佳热电性能。因此，利用单一热电材料提高器件的转换效率存在局限性。例如，填充方钴矿材料的最佳工作温区在400～600 ℃，其最优组份材料在此温区内ZT值超过1.0。但是，当工作温度低于400 ℃时，ZT值迅速下降；而当工作温度高于600 ℃时，材料ZT值和稳定性都会明显降低。解决单一热电材料最佳工作温区小的有效方法是构建多段（Segment）或多层（Cascade）级联器件，即沿温度梯度方向选取具有不同最佳工作温度的热电材料并组合使用，让不同材料都工作在其最佳工作温区（即：实现全温区ZT值最大化），由此形成的宽温域热电器件可以有效地提高能量转换效率，钎焊工艺制备热电器件过程如图9所示。近年来，宽温域热电器件已被证明能够有效提高转换效率，例如：日本产业技术综合研究所与美国西北大学共同设计的Bi2Te3/PbTe多段结构宽温域器件在590 ℃温差下的最大转换效率达到11%；上海硅酸盐所研制的Bi2Te3/SKD多段结构宽温域器件在530 ℃温差下转换效率达到12%[26]。Bi2Te3/HH多段结构宽温域器件在670 ℃温差下的最大转换效率达到12.4%[33]。相对于单级热电器件，多段结构宽温域器件中异质界面增多，这不仅会造成界面热阻和电阻的增加、影响器件实际转换效率，而且复杂的结构还会放大热应力、导致器件的结构可靠性的降低。因此，多段或多层级联热电器件的结构设计与集成技术较单级器件有更高的要求。

图  9  钎焊工艺制备热电器件过程（以方钴矿为例）

Figure 9.  Integration process for SKD thermoelectric devices using brazing method