【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，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)的熱電材料性能評價指標(biāo)，提出了兩個新的指標(biāo)用以篩選與柔性電子和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景更為匹配的熱電材料，并在實驗上基于相應(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，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)隊根據(jù)一維傳熱模型，推導(dǎo)出在具有低對流換熱系數(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。
為驗證所提出性能評價指標(biāo)的有效性，研究團(tuán)隊選取具有高|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，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，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)計和開發(fā)提供了全新的思路，而且對于未來新型室溫高性能熱電材料的研究也具有重要價值。
該研究得到了國家重點研發(fā)計劃和國家自然科學(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比圖。
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