半导体热电技术应用行业分析报告.docx

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半导体热电技术应用行业分析报告

半导体热电技术应用行业分析报告

2020年12月

半导体热电技术应用行业分析报告

一、行业发展情况

1、技术发展情况

（1）半导体热电制冷技术

半导体热电制冷技术是利用半导体材料的佩尔捷效应（Peltiereffect）实现电能向热能转换的技术。

佩尔捷效应最早在1834年由法国科学家佩尔捷发现，由于当时只能使用热电转换效率较低的金属材料，佩尔捷效应没有得到实际应用。

20世纪50年代之后，随着碲化铋等半导体材料的发现，热电性能较好的半导体材料使得热电转换效率大幅提高，从而使半导体热电制冷技术进入工程实践领域。

经过半个多世纪的发展，随着热电材料技术的进步和生产工艺、结构设计的持续优化，更大制冷量、更高热电转换效率、更低成本的半导体热电器件满足了更多不同应用领域的使用需求，产业化规模不断扩大。

近年来，高性能微型热电制冷器件成为半导体热电制冷技术的重要发展方向。

随着应用于光模块、微处理器等电子器件的快速发展，其尺寸不断减小，集成度不断提高，微小面积内的功耗急剧上升，局部热流密度大幅增加。

半导体热电制冷技术作为高热流密度局部主动制冷和精准控温的重要技术解决方案，对可靠性更高、尺寸更小的高性能微型热电制冷器件提出了迫切需求。

（2）半导体温差发电技术

半导体温差发电技术是利用半导体材料的泽贝克效应（Seebeckeffect）实现热能向电能转换的技术，其核心部件为半导体温差发电器件。

泽贝克效应是佩尔捷效应的逆过程，最早在1821年由德国科学家泽贝克发现。

目前，温差发电技术最典型的应用是作为某些特殊环境或可靠性要求较高的使用场景下的电源。

例如：

①深空探测电源的放射性同位素温差电池，在空间真空环境下工作寿命可超过30年；②热能计量传感系统利用热水、热蒸汽等热能即可充电，实现计量的同时将数据进行遥感传输，整个过程无需外部能源供给；③随着集成电路的发展，智能手表、无线传感器等微电子系统的功耗不断降低，使得微型温差发电器件具备了作为其电源使用的可能；④野外热电联供设备利用温差发电器件，将柴油燃烧加热后的热空气与所产生尾气中的多余热量，与吸入的外界冷空气形成温差，产生电势能，实现了设备独立供电，高效利用热能。

从节能应用市场看，海洋温差能、核反应堆、烃燃料燃烧、低品位工业余热产生的热能都可使用温差发电器件直接转换为电能。

但受限于目前温差发电技术发电量较小、单位发电量成本较高、热电转换效率较传统发电方式仍然较低的局限性因素影响，利用温差发电技术对能量密度底、分散型低品位热能实现回收利用的市场规模还比较小。

但是，温差发电技术作为一种节能发电技术，一直受到国家政策支持和科研项目的重点关注，未来随着热电转换效率的提高以及生产成本的不断优化，存在着大量潜在市场应用机会。

2、产业发展情况

（1）半导体热电器件市场前景

半导体热电器件凭借其不可替代的灵活性、多样性、可靠性等优势和特点，成为支撑诸多现代产业的关键基础零部件，能够广泛应用于消费电子、通信、医疗实验、汽车、工业、航天国防、油气采矿等领域，随着下游产业的成熟和新产品的不断涌现，其市场需求呈现出逐年增长的态势。

根据MarketsandMarkets于2019年8月发布的数据，2016年至2018年全球半导体热电器件销售市场规模为4.97亿美元、5.51亿美元、6.08亿美元，预计2024年将达到10.23亿美元。

①消费电子领域

消费电子领域是目前半导体热电制冷器件最大的应用市场，其最典型的应用是在有限的空间内制冷或通过制冷、制热实现精确控温，如恒温酒柜、电子冰箱、冷热型饮水机、电子空调、啤酒机、恒温床垫、除湿机、手机散热夹、水离子吹风机等。

2016年至2018年，半导体热电器件在消费电子产品应用领域的对外销售市场规模分别为1.05亿美元、1.18亿美元、1.31亿美元，预计2024年将达到2.31亿美元。

②通信领域

在光通信网络信号传输过程中，需要使用光模块对光信号进行放大、转换和传输。

由于光模块及其内部组件性能对温度非常敏感，温度升高将引起光功率输出减少同时波长正向漂移，因此光模块需要在一定温度下才能够进行持续不断的数据传输。

随着全球5G承载网络建设的兴起，以及视频直播、云计算、大数据中心的快速发展，对高速率光模块的依赖越来越重。

光模块集成程度和组装密度的不断提高，在提供强大使用功能的同时，也导致了功耗和发热量的急剧增加，对光模块散热提出了更高的要求。

因此，采用半导体热电制冷器件对光模块进行精准的主动控温，保持其工作在温度稳定的环境下，是目前最主要的确保光模块有效工作、延长使用寿命的技术解决方案。

相比于4G承载网络，由于5G承载网络基站部署密度更大，数量更多，对光模块的需求量也会进一步提升。

根据讯石信息咨询的预测，2019年至2027年，我国5G基站建设数量累积将达到648万座，仅对5G前传光模块的需求量累积将达到3,888万件。

庞大的光模块的市场需求，将带动高性能微型制冷器件的需求持续增长。

中国5G基站建设周期估算

单位：

万座、万件

数据来源：

讯石信息咨询

除了用于光模块温控外，半导体热电制冷器件在通信领域还可用于光纤放大器、基站电池柜、光通道监视器、社区公共电视天线系统、泵浦激光器、波长锁定器、雪崩光电二极管等产品的温控。

2016年至2018年，半导体热电器件在通信应用领域的对外销售市场规模分别为1.02亿美元、1.11亿美元、1.20亿美元，预计2024年将达到1.74亿美元。

③医疗实验领域

在医疗领域，半导体热电制冷器件能够用于冷敷设备、便携式胰岛素盒、移动药箱等。

目前，医疗机构中使用的冷敷设备主要是冰袋或化学反应袋，这些设备受外界影响较大，并且使用后需要及时更换。

而采用热电制冷技术的冷敷设备，可以实现使用过程中对温度的精确控制，且降温速度较快。

采用热电制冷技术的便携式胰岛素盒、移动药箱，具有小型化、便携化、精确控温的特点，十分适合胰岛素、药物、血液等物品的运输和保存。

此外，半导体热电制冷技术还能够用于PCR测试仪等实验室中各种仪器仪表、检测设备的温度控制。

2016年至2018年，半导体热电器件在医疗实验领域的对外销售市场规模分别为0.62亿美元、0.68亿美元、0.75亿美元，预计2024年将达到1.15亿美元。

④汽车领域

在汽车领域，半导体热电制冷器件已经被广泛用于车载冰箱、车载恒温杯架、汽车调温座椅。

未来，随着汽车产业的发展，人机交互设备、动力电池、传感器等设备的增加给汽车热管理带来了新的要求与机遇。

半导体热电器件凭借可靠性高、能耗较低、尺寸较小等优势在汽车领域中具有广阔的应用前景。

2016年至2018年，在汽车应用领域半导体热电器件对外销售市场规模分别为0.68亿美元、0.79亿美元、0.90亿美元，预计2024年将达到1.85亿美元。

⑤工业领域

在能源电力、金属冶炼等工业生产中，采用半导体温差发电器件作为电源的无线传感器能够对系统、热泵、轴承和电机提供实时监测，避免停机，减低维护成本、提高生产效率；工业废气余热回收可以为工厂补充电力。

冷源展示仪、烟气冷却、CCD图像传感器、激光二极管、露点测定仪等产品可使用半导体热电制冷器件进行精准控温。

2016年至2018年，在工业应用领域半导体热电器件对外销售市场规模分别为0.78亿美元、0.87亿美元、0.97亿美元，预计2024年将达到1.75亿美元。

⑥航天国防领域

在航天国防领域，半导体热电制冷器件凭借可靠性高的特点可用于探测器和传感器的温度控制、激光系统冷却、飞行服温度调节、设备外壳冷却等。

在飞机上使用的半导体热电器件，可以在空间和重量均受到限制的情况下实现温度调节和发动机余热的收集利用，并降低冷却过程中产生的噪音，提高飞机射频通信的性能。

2016年至2018年，在航天国防领域半导体热电器件对外销售市场规模分别为0.53亿美元、0.58亿美元、0.63亿美元，预计2024年将达到0.96亿美元。

⑦油气采矿领域

在油气采矿领域，由于许多矿井、油田都位于电网覆盖范围以外的偏远地区，因此可以使用半导体温差发电器件进行太阳能发电和余热回收，为矿井、油田提供电力，以及液化天然气冷能回收、油气输运的远距离计量和传感系统电源。

2016年至2018年，在油气采矿领域半导体热电器件对外销售市场规模分别为0.29亿美元、0.31亿美元、0.33亿美元，预计2024年将达到0.47亿美元。

（2）热电系统市场前景

在热电技术中，转换效率的高低首先取决于热电器件性能，但最终转换效果则由冷热端换热设计、结构设计、工况控制方案等技术共同决定。

热电系统是一种以半导体热电器件为核心，再结合换热器、工况控制方案所组成的系统集成装置。

由于热电系统给客户提供了更完整的热电技术解决方案，其产品附加值更高，潜在市场规模更大。

随着半导体热电技术解决方案厂商技术的成熟和规模化效应的提升，越来越多的热电器件下游客户也倾向于由自己组装转变为采购整套热电系统。

（3）热电整机应用市场前景

①热电整机应用市场需求不断涌现

目前，啤酒机、恒温酒柜、恒温床垫等热电整机应用主要是伴随着人们生活品质不断提高，对个性化、定制化服务的不断追求而出现的。

啤酒机是为了满足人们对高品质生啤和在家庭、聚会、小型酒吧等场景下的饮用需求而出现的。

生啤又称为“鲜啤酒”，其酒液不经过巴氏灭菌法处理，从而保存了一部分营养丰富的酵母菌，所以口味比普通瓶装“熟啤”更为鲜美。

由于鲜啤酒需要冷藏存放，因此过去往往在配备了专业加工设备及特殊工艺除菌设施或以大容量桶装形式贩卖的大型酒吧、饭店等场所才能体验。

啤酒机的出现使人们在不同场所均能够饮用味道鲜美的生啤，产品一经推出便受到欧美消费者的广泛欢迎。

恒温酒柜是由于葡萄酒有自身适宜的储藏温度，不易放置在冰箱中与食品一并储藏，因此需要专门的恒温酒柜予以储存。

同时，采用半导体制冷技术的恒温酒柜可以避免频繁的机械振动带来的加速成熟、沉淀物挥散等影响葡萄酒口感和品质的因素，是家庭环境中理想的葡萄酒储存方式。

恒温床垫相比于电热毯，其利用水在床垫水道中的循环同时实现冷却、加热，实现了睡眠温度的智能调节。

该床垫不仅使人体在享受舒适温度的同时免受噪声的袭扰，同时保证了人身安全。

电子冰箱相比于压缩机制冷冰箱，具有无噪音、尺寸紧凑的优势，满足了人们在酒店客房、汽车、卧室等对噪音控制、尺寸要求较高的使用场景下对冰箱的需求。

冰淇淋机相比于采用压缩机制冷技术的商用冰淇淋机体积更小、价格更低、维修方便、食品安全性更高，使人们在家中就能享受自制冰淇淋的生活乐趣。

除上述产品外，冻奶机、植物培养箱、手机散热夹等创新型应用需求正伴随着人们对美好生活的追求而不断涌现。

②人们生活水平的提高将带动国内热电整机应用市场需求持续增长

目前，啤酒机、恒温酒柜、恒温床垫等热电整机应用的主要消费市场还集中于欧美发达国家，主要原因是这些区域的消费者对生活品质的要求和消费水平较高。

2018年，我国城镇居民人均住房建筑面积达到39平方米；2019年，全国居民人均可支配收入达到30,732.85元/年，全国居民人均消费支出达到21,558.85元/年，呈逐年增长态势。

随着中国消费者居住环境的改善、可支配收入和人均消费支出的稳定增长，人们的生活习惯和消费习惯逐渐升级，对电器产品的小型化、静音、环保、安全等个性化要求更高，以半导体热电制冷技术为核心的热电整机应用产品凭借无振动、无噪声、控温精准、冷量调节方便、可靠性高、结构紧凑、绿色环保的特点在家居生活中被越来越多的消费者所青睐。

此外，随着需要使用热电整机应用改善生活品质的应用场景不断涌现，也为具备核心技术和产业链整合能力的企业带来了广阔的发展前景。

二、行业驱动力分析

1、半导体热电技术应用领域不断拓展

随着近年来热电理论的发展和对热电材料实验研究的不断深入，半导体热电技术取得了长足的进步。

半导体热电技术的日趋成熟有力推动了其走向大规模应用的步伐，开始逐渐渗透到人类生活的各个方面，新技术和新产