【仪表网 研发快讯】热电技术可利用人体与环境或环境与环境之间的微小温差发电，具有体积小、无噪音、可靠性高等优点，在柔性电子和物联网自供电领域具有重要应用前景。但是，柔性电子和物联网通常在室内无风环境工作，且其内部高度集成和空间狭小的特点限制了金属翅片等外部散热装置的使用，这导致热电器件上所能建立的温差通常较小，进而造成低的输出性能(如电压密度和功率密度等)。以Bi2Te3基热电器件为例，当其佩戴在人体时电压密度通常低于20 mVcm -2，功率密度低于10 μWcm-2，无法满足实际应用需求。如何选取匹配的热电材料以提高热电器件的输出性能是当前热电技术在柔性电子和物联网领域应用亟待解决的关键问题。
最近，中国科学院上海硅酸盐研究所仇鹏飞研究员，史迅研究员和陈立东研究员超越传统的热电材料性能评价指标，提出了两个新的指标用以筛选与柔性电子和物联网应用场景更为匹配的热电材料，并在实验上基于相应材料制备出输出性能显著优于传统Bi2Te3基热电器件的新型Ag基热电器件。相关成果以“Screening thermoelectric materials for high-output performance in wearable electronics”为题发表于Energy Environ. Sci. 2025, 18, 5416-5423。上海硅酸盐所博士生苑鑫杰为论文的第一作者。
当热电器件两端温差固定时，热电材料的热电优值(zT)越高，热电器件输出性能通常越高。但是，对于面向柔性电子和物联网应用的热电器件，两端温差并不固定，因此无法简单的根据zT值的高低来筛选匹配的热电材料。研究团队根据一维传热模型，推导出在具有低对流换热系数(小于10 Wm-2 K-1)的室内无风环境下热电器件的输出电压密度和功率密度的理论公式，发现其分别与|S|/κ和S2σ/κ2成正比(其中S为泽贝克系数，κ为热导率，σ为电导率)。通过对代表性热电材料进行分析，进一步发现部分Ag基热电材料(如Ag1.995Au0.005Te0.7S0.3和Ag0.9Sb1.1Te2.1等)的|S|/κ和S2σ/κ2高于传统Bi2Te3基热电材料，因此其可能更适合开发面向柔性电子和物联网自供电应用的热电器件。
为验证所提出性能评价指标的有效性，研究团队选取具有高|S|/κ和S2σ/κ2的n型Ag1.995Au0.005Te0.7S0.3和p型Ag0.9Sb1.1Te2.1材料，开发了与其匹配的W/Sn/Cu多级金属化层和低温焊接方法，研制出新型Ag基热电器件。作为对比，也利用具有高zT值但是低|S|/κ的传统Bi2Te3基材料制备了具有同样结构和尺寸的Bi2Te3基热电器件。测试结果表明，在无风环境下Ag基器件的电压密度和功率密度均显著高于Bi2Te3基热电器件。例如，当环境温度和器件热端温度分别为295 K和303 K时，Ag基热电器件的电压密度和功率密度分别为14.3 mVcm-2和6.4 μWcm-2，而Bi2Te3基热电器件的电压密度和功率密度分别为7.9 mVcm-2和5.5 μWcm-2。将Ag基热电器件佩戴在手臂上，在环境温度为280 K时，器件电压密度和功率密度分别为33 mVcm-2和42 μWcm-2，也明显高于同等条件下Bi2Te3基热电器件的输出性能。Ag基热电器件所产生的电能可驱动电子手表工作。
该研究不仅为面向柔性电子和物联网应用的高性能热电器件的设计和开发提供了全新的思路，而且对于未来新型室温高性能热电材料的研究也具有重要价值。
该研究得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金的支持。
图1. 代表性热电材料的|S|/κ和S2σ/κ2。
图2. 本工作开发的Ag基热电器件和代表性Bi2Te3基热电器件的电压密度和功率密度对比图。
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