【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】熱電技術(shù)可利用人體與環(huán)境或環(huán)境與環(huán)境之間的微小溫差發(fā)電，具有體積小、無噪音、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，在柔性電子和物聯(lián)網(wǎng)自供電領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。但是，柔性電子和物聯(lián)網(wǎng)通常在室內(nèi)無風(fēng)環(huán)境工作，且其內(nèi)部高度集成和空間狹小的特點(diǎn)限制了金屬翅片等外部散熱裝置的使用，這導(dǎo)致熱電器件上所能建立的溫差通常較小，進(jìn)而造成低的輸出性能(如電壓密度和功率密度等)。以Bi2Te3基熱電器件為例，當(dāng)其佩戴在人體時(shí)電壓密度通常低于20 mVcm -2，功率密度低于10 μWcm-2，無法滿足實(shí)際應(yīng)用需求。如何選取匹配的熱電材料以提高熱電器件的輸出性能是當(dāng)前熱電技術(shù)在柔性電子和物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域應(yīng)用亟待解決的關(guān)鍵問題。
最近，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所仇鵬飛研究員，史迅研究員和陳立東研究員超越傳統(tǒng)的熱電材料性能評(píng)價(jià)指標(biāo)，提出了兩個(gè)新的指標(biāo)用以篩選與柔性電子和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景更為匹配的熱電材料，并在實(shí)驗(yàn)上基于相應(yīng)材料制備出輸出性能顯著優(yōu)于傳統(tǒng)Bi2Te3基熱電器件的新型Ag基熱電器件。相關(guān)成果以“Screening thermoelectric materials for high-output performance in wearable electronics”為題發(fā)表于Energy Environ. Sci. 2025, 18, 5416-5423。上海硅酸鹽所博士生苑鑫杰為論文的第一作者。
當(dāng)熱電器件兩端溫差固定時(shí)，熱電材料的熱電優(yōu)值(zT)越高，熱電器件輸出性能通常越高。但是，對(duì)于面向柔性電子和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的熱電器件，兩端溫差并不固定，因此無法簡(jiǎn)單的根據(jù)zT值的高低來篩選匹配的熱電材料。研究團(tuán)隊(duì)根據(jù)一維傳熱模型，推導(dǎo)出在具有低對(duì)流換熱系數(shù)(小于10 Wm-2 K-1)的室內(nèi)無風(fēng)環(huán)境下熱電器件的輸出電壓密度和功率密度的理論公式，發(fā)現(xiàn)其分別與|S|/κ和S2σ/κ2成正比(其中S為澤貝克系數(shù)，κ為熱導(dǎo)率，σ為電導(dǎo)率)。通過對(duì)代表性熱電材料進(jìn)行分析，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)部分Ag基熱電材料(如Ag1.995Au0.005Te0.7S0.3和Ag0.9Sb1.1Te2.1等)的|S|/κ和S2σ/κ2高于傳統(tǒng)Bi2Te3基熱電材料，因此其可能更適合開發(fā)面向柔性電子和物聯(lián)網(wǎng)自供電應(yīng)用的熱電器件。
為驗(yàn)證所提出性能評(píng)價(jià)指標(biāo)的有效性，研究團(tuán)隊(duì)選取具有高|S|/κ和S2σ/κ2的n型Ag1.995Au0.005Te0.7S0.3和p型Ag0.9Sb1.1Te2.1材料，開發(fā)了與其匹配的W/Sn/Cu多級(jí)金屬化層和低溫焊接方法，研制出新型Ag基熱電器件。作為對(duì)比，也利用具有高zT值但是低|S|/κ的傳統(tǒng)Bi2Te3基材料制備了具有同樣結(jié)構(gòu)和尺寸的Bi2Te3基熱電器件。測(cè)試結(jié)果表明，在無風(fēng)環(huán)境下Ag基器件的電壓密度和功率密度均顯著高于Bi2Te3基熱電器件。例如，當(dāng)環(huán)境溫度和器件熱端溫度分別為295 K和303 K時(shí)，Ag基熱電器件的電壓密度和功率密度分別為14.3 mVcm-2和6.4 μWcm-2，而Bi2Te3基熱電器件的電壓密度和功率密度分別為7.9 mVcm-2和5.5 μWcm-2。將Ag基熱電器件佩戴在手臂上，在環(huán)境溫度為280 K時(shí)，器件電壓密度和功率密度分別為33 mVcm-2和42 μWcm-2，也明顯高于同等條件下Bi2Te3基熱電器件的輸出性能。Ag基熱電器件所產(chǎn)生的電能可驅(qū)動(dòng)電子手表工作。
該研究不僅為面向柔性電子和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的高性能熱電器件的設(shè)計(jì)和開發(fā)提供了全新的思路，而且對(duì)于未來新型室溫高性能熱電材料的研究也具有重要價(jià)值。
該研究得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金的支持。
圖1. 代表性熱電材料的|S|/κ和S2σ/κ2。
圖2. 本工作開發(fā)的Ag基熱電器件和代表性Bi2Te3基熱電器件的電壓密度和功率密度對(duì)比圖。
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