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(wú)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)域具有應(yīng)用前景。但是，柔性電子和物聯(lián)網(wǎng)通常在室內(nèi)無(wú)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，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(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(wú)法滿足實(shí)際應(yīng)用需求。當(dāng)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(wèn)題。

　　近日，中國(guó)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(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優(yōu)于傳統(tǒng)Bi2Te3基熱電器件的新型Ag基熱電器件。

　　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，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(wú)法根據(jù)zT值的高低來(lái)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(duì)流換熱系數(shù)的室內(nèi)無(wú)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(jìn)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(kāi)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)證這一性能評(píng)價(jià)指標(biāo)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(kāi)發(fā)出與其匹配的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。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(jìn)行對(duì)比。測(cè)試結(jié)果表明，在無(wú)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(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B(niǎo)i2Te3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(shí)，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(shí)，研究發(fā)現(xiàn)，Ag基熱電器件產(chǎn)生的電能可驅(qū)動(dòng)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(jì)和開(kāi)發(fā)提供了新思路，對(duì)于未來(lái)新型室溫高性能熱電材料的研究具有重要價(jià)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(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。