【儀表網 研發快訊】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重要應用前景。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，這導致熱電器件上所能建立的溫差通常較小，進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。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前熱電技術在柔性電子和物聯網領域應用亟待解決的關鍵問題。
 

　　最近，中國科學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顯著優于傳統Bi2Te3基熱電器件的新型Ag基熱電器件。相關成果以“Screening thermoelectric materials for high-output performance in wearable electronics”為題發表于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，對于面向柔性電子和物聯網應用的熱電器件，兩端溫差并不固定，因此無法簡單的根據zT值的高低來篩選匹配的熱電材料。研究團隊根據一維傳熱模型，推導出在具有低對流換熱系數(小于10 Wm-2 K-1)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(其中S為澤貝克系數，κ為熱導率，σ為電導率)。通過對代表性熱電材料進行分析，進一步發現部分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。
 

　　為驗證所提出性能評價指標的有效性，研究團隊選取具有高|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Bi2Te3基材料制備了具有同樣結構和尺寸的Bi2Te3基熱電器件。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顯著高于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。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，也明顯高于同等條件下Bi2Te3基熱電器件的輸出性能。Ag基熱電器件所產生的電能可驅動電子手表工作。
 

　　該研究不僅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計劃和國家自然科學基金的支持。

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。