南科大 Adv. Sci.：高出近10倍！leaf-TEG在環境空氣中實現高溫差利用率和輸出效率

【背景介紹】

熱電發電機（Thermoelectric power generation, TEG）通過直接利用來自環境的溫差提供了便捷的電力，用于物聯網（IoT）傳感器和可穿戴電子器件。在可穿戴領域中，柔性對TEG器件至關重要。其中，具有柔性電極的Bi₂Te₃基TE支架有最高的輸出功率，但其舒適性有限。將液態金屬將器件連接起來，并固定在手腕上，在24 ℃的環境溫度下分別產生1.47 mV和0.37 μW cm^-2的最大電壓和功率。但是通過TE支架的最大溫差（T_TEG）僅為0.4 ℃，具有較高溫差利用率的φth是T_TEG與散熱器和蓄熱器之間的可用溫差（?T）之比，即φ_th=T_TEG/?T，換言之φ_th=5%。基于纖維的柔性TEG增加了纖維編織TEG的柔性，但其輸出功率較低。同時，這些報告的功率密度數據是基于理想恒溫邊界條件下的接觸傳熱模式，而不是實際的可磨損工作環境。目前，大多數基于柔性薄膜的TEGs具有平面結構，所有的TE支架和金屬互連都位于基板上以獲得溫度差。在室內環境中，人的皮膚和空氣之間的T通常約為10 ℃，而對于帶有散熱片的常規散裝器件，TE材料（?T_TE）上的溫差僅約1 ℃，即φ_th=10％。因此，通過考慮TEG器件、熱源和散熱器之間的熱交換，通過系統級設計來增加TE材料上的溫差至關重要。此外，很少報道關于基于垂直組裝薄膜的TEG。

【成果簡介】

近日，南方科技大學劉瑋書副教授（通訊作者）等人受到禾本科植物柔性葉片的啟發，報道了一種葉片型柔性熱電發電機（leaf-TEG），該發電機通過使用p-型有機聚（3, 4-亞乙基二氧噻吩）-聚苯乙烯磺酸（PEDOT：PSS）和n-型無機銅鎳合金薄膜垂直排列組裝而成。這種leaf-TEG結構具有散熱片的優點，可以最大限度地利用實際環境中的溫差。通過得出的性能指標分析公式，如溫差利用率（φ_th）和最大輸出功率（P_max），以優化leaf-TEG的尺寸。在實驗上，作者設計了一種可調風速和溫度的風道，用于發電測試。在風道（基材：36 ℃，空氣：6 ℃，空氣流量：1 m s^-1）中，10-leaf-TEG的φ_th為73％，每葉片的P_max為0.38 μW。作為概念驗證，可穿戴100-leaf-TEG（60 cm²）在室溫下可以在手臂上產生11 μW的功率。此外，通過1000多次彎曲和磨刷測試，證明了leaf-TEG具有很好的柔性和耐用性。所提出的leaf-TEG非常適合溫度差有限的空氣對流場景。最后，作者還進行了手掌觸摸、嘴吹和戴在手臂上的發電測試，表明所提出的leaf-TEG有利于從環境空氣中收集能量。研究成果以題為“Leaf-Inspired Flexible Thermoelectric Generators with High Temperature Difference Utilization Ratio and Output Power in Ambient Air”發布在國際著名期刊Adv. Sci.上。

【圖文解讀】

圖一、leaf-TEG的結構和溫度分布
a）草葉和TE柔性薄膜；

b）leaf-TEG在磨損條件下工作的機理；

c）所提出的leaf-TEG的詳細結構示意圖；

d）TE-leaf的掃描電子顯微鏡照片（側視圖）；

e）Leaf-TEG與10片背對背TE成對組裝；

f-g）在加熱板上（36 °C）的室溫（≈25°C）下，leaf-TEG的靜態和空氣流動速率為0.5 m s^-1的紅外照片；

h）leaf-TEG的溫度分布以熱流為導向。

圖二、空氣溫度和流速對leaf-TEG輸出功率的影響
a）實驗室制備的風道系統，可用于調節T_air和V_air；

b-e）在T_air=6 °C、不同風速（0.2、0.5和2.0 m s^-1）和不同長度條件下，leaf-TEG的內部電阻R_i、開路電壓V_oc、溫差利用率φ_th以及最大輸出功率P_max；

f）最大輸出功率隨空氣溫度而變化；

g）在測試條件（T_air=6-29 °C，V_air=0.15-2.0 m s^-1，L=5、10、15和20 mm）下，最大leaf-TEG的最大P_max和相應的φ_th。

圖三、Leaf-TEG的靈敏度、柔性和耐用性
a）定期吹冷空氣對空氣溫度波動的敏感性示意圖；

b）Leaf-TEG和市售帶有散熱片的剛性TEG模塊的響應特性和靈敏度的時序圖，用于冷卻空氣溫度；

c）耐久性測試過程的示意圖，加熱塊為36 °C；

d）在一個TE-Leaf上進行1000次雙向刷洗時，記錄總體和詳細的開路電壓；

e）在1000次以上的彎曲測試后，其可靠性和柔性（彎曲半徑：2 mm）。

圖四、在室溫下，人體熱量驅動的100-leaf-TEG的響應和性能測量
a）100-leaf-TEG的概念證明和人體熱量的三種實際能量收集模式：手掌觸摸、嘴吹和戴在手臂上。

b-c）在手掌觸摸和嘴吹模式下，其開路電壓和相應的P_max；

d-e）步行和站立時手臂上的100-leaf-TEG的開路電壓和相應的φ_th，以及輸出功率；

f）對比幾個文獻數據點，leaf-TEG的歸一化輸出性能。

【小結】

綜上所述，作者通過使用垂直排列的PEDOT：PSS/銅鎳合金薄膜對，制備了的leaf-TEG。同時，作者提出了溫差利用率φ_th作為這種新型TEG的性能指標。在風道（基材：36 ℃，空氣：6 ℃，空氣流量：1 m s^-1）中，10-leaf-TEG的φ_th為73％、P_max為0.38 μW/葉片，優化的TE-leaf長度L為10 mm。在V_air=0.5 m s^-1、T_sub=36 ℃和T_air=25 ℃的室內環境中，當L為20 mm時，φ_th達到85％，比商用有散熱片的TEG（φ_th=9％）高出近10倍。在彎曲1000次前后，其內阻變化在2％以內，基本可以忽略不計。在室內環境中，在硅橡膠基底（7.8×7.8 cm²）上，可穿戴式100-leaf-TEG（100片，L=10 mm）在手掌觸摸、嘴吹和戴在手臂上的場景中可分別產生1、4和11 μW的輸出功率。對于從環境中獲取熱能，特別是在有限溫差和對流換熱條件下，所提出的leaf-TEG是一種很有前途的候選方案。

文獻鏈接：Leaf-Inspired Flexible Thermoelectric Generators with High Temperature Difference Utilization Ratio and Output Power in Ambient Air. Adv. Sci., 2021, DOI: 10.1002/advs.202004947.

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