热电材料可以在清洁能源转型中发挥重要作用，因为它们可以利用原本会被浪费的热源产生电能，而不会产生额外的温室气体或需要大量的前期投资。但由于大多数当前的热电材料无法有效地产生足够的电力来满足许多实际应用，因此它们的前景受到了阻碍。

寻找具有复杂化学成分的新型高效材料是一项耗费大量人力的工作，需要对每一种新提出的多材料成分进行实验测试，而且经常涉及使用有毒或稀有元素。在 5 月 16 日星期四发表在《科学》杂志上的一篇论文中，休斯顿大学和莱斯大学的研究人员报告了一种预测一系列材料中能带收敛实现的新方法，并在证明一种如此设计的材料(p 型 Zintl 化合物)将提供高效的热电性能后，制造了一个热电模块。他们报告称，在 475 开尔文(约 855 华氏度)的温差下，热电转换效率超过 10%。

休斯顿大学德克萨斯超导中心 (TcSUH) 主任兼论文通讯作者任志峰表示，该材料的性能在两年多的时间内保持稳定。

虽然人们已经采用了各种方法来提高效率，但一种被称为电子能带汇聚的概念因其在提高热电性能方面的潜力而备受关注。“通常很难从热电材料中获得高性能，因为材料中并非所有电子能带都能发挥作用，”任说。“制造一种复合材料让所有电子能带同时工作以获得最佳性能就更加困难了。”

他说，在这项工作中，科学家们首先专注于设计一种计算方法，以确定如何构建一种材料，使所有不同的能带都能对整体性能做出贡献。然后，他们证明了该计算在实践和理论上都是可行的，并构建了一个模块，以进一步验证在设备层面上获得的高性能。

能带收敛被认为是改进热电材料的一种好方法，因为它可以提高热电功率因数，而热电功率因数与热电模块的实际输出功率有关。但到目前为止，发现具有强能带收敛的新材料非常耗时，而且会犯很多错误。“标准方法是反复试验，”任教授说，他也是休斯顿大学凝聚态物理学 Paul CW Chu 和 May P. Chern 特聘教授。“这种方法让我们不必进行大量实验，而是可以消除不会产生更好结果的不必要可能性。”

为了有效地预测如何创造最有效的材料，研究人员使用高熵 Zintl 合金 Yb x Ca 1-x Mg y Zn 2-y Sb 2作为案例研究，设计了一系列组合物，通过这些组合物在所有组合物中同时实现了能带收敛。

任先生这样描述其工作原理：如果一个由 10 人组成的团队试图举起一个物体，那么个子较高的成员将承担大部分重量，而个子较矮的成员则不会做出太大贡献。在乐队融合中，目标是让所有乐队团队成员更加相似——在这个例子中，个子较高的乐队成员会比较矮，而个子较矮的成员会比较高——这样所有人都可以为承担整体重量做出贡献。

在这里，研究人员从四种母体化合物开始，总共包含五种元素——镱、钙、镁、锌和锑——进行计算，以确定哪些母体化合物的组合可以达到能带收敛。一旦确定了这一点，他们就会从这些高性能组合物中选择出最好的一种来构建热电装置。

“如果没有这种方法，你就必须进行实验并尝试所有可能性，”任教授团队的休斯顿大学研究生、论文第一作者 Xin Shi 说道。“没有其他方法可以做到这一点。现在，我们先进行计算，设计一种材料，然后制造并测试它。”

该计算方法也可用于其他多化合物材料，研究人员可以利用这种方法制造新的热电材料。一旦确定了合适的母体化合物，计算结果便可确定最终合金中各化合物的配比。

除了任和石之外，这篇论文的作者还包括德克萨斯超导中心的研究员宋少伟博士和莱斯大学材料科学与纳米工程系的高冠辉博士。高博士现在在休斯顿大学任职。