熱電技術可利用人體與環境或環境與環境之間的微小溫差發電,具有體積小、無噪音、可靠性高等優點,在柔性電子和物聯網自供電領域具有應用前景。但是,柔性電子和物聯網通常在室內無風環境工作,且其內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在柔性電子和物聯網領域應用亟待解決的問題。

近日,中國科學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網應用場景更為匹配的熱電材料,并在實驗上基于相應材料制備出輸出性能優于傳統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網應用的熱電器件兩端溫差不固定,因此無法根據zT值的高低來篩選匹配的熱電材料。該研究根據一維傳熱模型,推導出在具有低對流換熱系數的室內無風環境下熱電器件的輸出電壓密度和功率密度的理論公式,發現其分別與|S|/κ和S²σ/κ²成正比。進一步,研究分析代表性熱電材料發現,部分Ag基熱電材料的|S|/κ和S²σ/κ²高于傳統Bi₂Te₃基熱電材料,因此其可能更適合開發面向柔性電子和物聯網自供電應用的熱電器件。

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Ag_1.995Au_0.005Te_0.7S_0.3和p型Ag_0.9Sb_1.1Te_2.1材料,開發出與其匹配的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Bi₂Te₃基材料制備出具有同樣結構和尺寸的Bi₂Te₃基熱電器件,并進行對比。測試結果表明,在無風環境下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,研究發現,Ag基熱電器件產生的電能可驅動電子手表工作。

上述成果為面向柔性電子和物聯網應用的高性能熱電器件的設計和開發提供了新思路,對于未來新型室溫高性能熱電材料的研究具有重要價值。

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

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該工作開發的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