高性能熱電器件研究獲進展

　　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，導(dǎo)致熱電器件上所能建立的溫差通常較小，造成低的輸出性能。以Bi2Te3基熱電器件為例，當其佩戴在人體時，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。當前，如何選取匹配的熱電材料以提高熱電器件的輸出性能是熱電技術(shù)在柔性電子和物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域應(yīng)用亟待解決的問題。

　　近日，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員仇鵬飛、史迅和陳立東超越傳統(tǒng)的熱電材料性能評價指標，提出了兩個新的指標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優(yōu)于傳統(tǒng)Bi2Te3基熱電器件的新型Ag基熱電器件。

　　當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，面向柔性電子和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的熱電器件兩端溫差不固定，因此無法根據(jù)zT值的高低來篩選匹配的熱電材料。該研究根據(jù)一維傳熱模型，推導(dǎo)出在具有低對流換熱系數(shù)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。進一步，研究分析代表性熱電材料發(fā)現(xiàn)，部分Ag基熱電材料的|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。

　　為驗證這一性能評價指標的有效性，該研究選取具有高|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)出與其匹配的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。研究利用具有高zT值但低|S|/κ的傳統(tǒng)Bi2Te3基材料制備出具有同樣結(jié)構(gòu)和尺寸的Bi2Te3基熱電器件，并進行對比。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高于Bi2Te3基熱電器件。例如，當環(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。研究顯示，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，高于同等條件下Bi2Te3基熱電器件的輸出性能。同時，研究發(fā)現(xiàn)，Ag基熱電器件產(chǎn)生的電能可驅(qū)動電子手表工作。

　　上述成果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)提供了新思路，對于未來新型室溫高性能熱電材料的研究具有重要價值。

　　相關(guān)研究成果發(fā)表在《能源與環(huán)境科學(xué)》（Energy & Environmental Science）上。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃和國家自然科學(xué)基金的支持。

該工作開發(fā)的Ag基熱電器件與代表性Bi2Te3基熱電器件的電壓密度和功率密度對比圖