AEM：載流子分離提升n型Ag2Se基柔性薄膜的熱電性能

自供電技術對于物聯網時代可穿戴設備和柔性電子器件的發展具有重要意義，半導體熱電材料具有的塞貝克效應能夠將低品位熱量（如人體熱量或環境熱量）直接轉換為電能實現自供電。n型Ag₂Se薄膜是室溫及近室溫區內的高性能熱電材料之一。然而，Ag₂Se的低載流子遷移率限制了其高電導率和高功率因數的進一步提升，進而使其作為柔性熱電器件應用時表現出不夠高的功率密度。

針對這一問題，陜西科技大學張荔副教授和昆士蘭科技大學陳志剛教授提出了一種載流子分離的新策略用于提升Ag₂Se薄膜的電導率和功率因數，將絕緣電子供體聚乙烯亞胺（PEI）與Ag₂Se復合， 其中PEI的不均勻分布可以吸引n型Ag₂Se基體中的空穴，而分離的少數載流子基于庫侖斥力能夠避免對n型Ag₂Se中電子顯著散射，進而優化載流子遷移率，實現了Ag₂Se基熱電薄膜創紀錄的載流子遷移率~1551.99 cm²?V^?1?s^?1和優異的功率因子~22.39 W m^?1?K^?2。同時，該復合薄膜在6 mm彎曲半徑1000次彎曲后電阻僅降低了6.5 %，表現出優異的柔性。此外，該復合薄膜組裝的柔性熱電器件表現出73.93 W m^?2的優異歸一化功率密度，高于已報道的其他Ag₂Se基熱電薄膜器件。相關研究發表于《Advanced Energy Materials》。

圖1、Ag₂Se基體的結構和組成：a）x mol% PEI/Ag₂Se（x=0、6、12、18）薄膜的X射線衍射（XRD）圖譜；6 mol% PEI/Ag₂Se復合薄膜中b）Ag元素和c）Se元素掃描的X射線光電子能譜（XPS）圖譜；d）6 mol% PEI/Ag₂Se復合薄膜的背散射電子（BSE）圖像和相應的能量色散譜（EDS）圖譜；e）x mol% PEI/Ag₂Se（x=0、6、12、18）薄膜的BSE圖像和f）取點處的典型EDS圖譜；g）EDS統計分析x mol% PEI/Ag₂Se（x=0、6、12、18）薄膜的Ag/Se比值；h）6 mol% PEI/Ag₂Se復合薄膜的高分辨率透射電子顯微鏡（TEM）圖像和相應的i）快速傅里葉變換（FFT）圖像。

圖2、PEI在復合薄膜中的分布：a）EDS統計分析了x mol% PEI/Ag₂Se（x=0、6、12、18）薄膜的C元素化學計量比；b）原始Ag₂Se薄膜和6 mol% PEI/Ag₂Se復合薄膜（插圖顯示了PEI的結構式）的傅里葉變換紅外（FTIR）光譜；c）x mol% PEI/Ag₂Se（x=0、6、12、18）薄膜的掃描電子顯微鏡（SEM）圖像；d）PEI不均勻分布的形成過程：d1）6 mol% PEI/Ag₂Se納米線的高分辨TEM圖像，d2）退火過程中PEI/Ag₂Se納米線生長的示意圖，d3）6 mol% PEI/Ag₂Se復合薄膜的高分辨TEM圖像。

圖3、PEI/Ag₂Se復合薄膜的載流子傳輸特性、表面電勢和機理：x mol% PEI/Ag₂Se（x=0、6、12、18）薄膜在300 K時的a）電導率（σ），b）載流子濃度（n）和c）載流子遷移率（μ）；6 mol% PEI/Ag₂Se復合薄膜的d）原子力顯微鏡（AFM）相圖和e）開爾文探針力顯微鏡（KPFM）電勢圖像；f）載流子分離策略示意圖。

圖4、PEI/Ag₂Se復合薄膜的熱電性能和彎曲穩定性：x?mol% PEI/Ag₂Se（x=0、6、12、18）薄膜在300 K時的a）Seebeck系數（S），b）由單拋物帶（SPB）模型計算的n相關|S|與實驗測量值的比較，c）功率因子（S²σ）；d）6?mol% PEI/Ag₂Se復合薄膜的σ、μ和e）S²σ與文獻值的比較；f）x?mol% PEI/Ag₂Se（x=0、6）薄膜在半徑為6 mm時彎曲1000次后電阻的變化。

圖5、6 mol% PEI/Ag₂Se薄膜組成的柔性熱電器件（FTED）的性能：a）不同ΔT開路電壓（V_oc）的理論值和測量值隨溫差ΔT的變化，插圖顯示了FTED的光學照片；不同ΔT下測量的b）輸出電壓（V_output）和c）輸出功率（P）與負載電流（I）函數；d）最大輸出功率密度（ω_max）與ΔT的函數；e）基于PEI/Ag₂Se復合薄膜的FTED的歸一化ω與文獻值的比較；f）PEI/Ag₂Se基FTED的實際應用場景及相應的紅外圖像。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/aenm.202401890