昆士蘭科技大學陳志剛課題組Chemical Society Reviews：基于集成電子器件的柔性熱電的研究進展

【引言】

隨著能源需求的不斷增加以及傳統燃料消耗所引發的氣候變化等挑戰，迫切需要發展綠色和可持續的能源轉換與存儲技術。將柔性熱電技術與其他各種能源轉換技術相結合，發揮了至關重要的作用，使得溫差、太陽能、機械力和濕度等多種形式的能量轉化為電能成為可能。這些技術的發展為可持續能源解決方案奠定了基礎，并推動了能源轉換領域的研究進展。

【成果簡介】

鑒于這一領域的復雜性和快速發展，昆士蘭科技大學史曉磊研究員和陳志剛教授獲得Chemical Society Reviews邀請發表了長篇綜述論文，系統地總結了基于柔性熱電轉換的多功能集成能源轉換與存儲技術的進展。重點關注的是提高材料性能、優化集成器件結構設計以及實現器件的柔性化，以擴大其應用場景，特別是可穿戴能源轉換技術的集成化和多功能化。此外，本文還討論了當前的發展瓶頸和未來的發展方向，以促進該領域的持續進步。

【圖文導讀】

要點1：基于柔性熱電轉換的多功能集成能源轉換與存儲技術的介紹

圖1. (a) 示意圖展示了基于自供電物聯網 (IoT) 設備的各種能量收集技術，以及其組件的基本架構和能量轉換原理。(b) 各種能量收集技術所能達到的功率密度范圍。(c) 各種能量收集技術相關出版物數量隨時間變化的趨勢。(d-e) 自2010年以來不同熱電材料系統的熱電性能（通過最大ZT值，ZT_max評估）的比較和趨勢，包括p型和n型熱電材料。

要點2：熱電材料和器件的基本原理

圖2. (a) 示意圖展示了基于剛性塊體材料的熱電器件（TED）的基本結構。(b) 示意圖展示了基于有機材料（DPP）的柔性TED的結構。示意圖展示了基于由一對p-n熱電臂組成的基本TED單元的(c) 熱電發電和(d) 熱電制冷原理。

要點3：熱電器件的基本結構

圖3. (a) 垂直結構。(b) 橫向結構。(c) 混合結構。(d) 折疊結構。(e) 環狀結構。(f) 徑向結構。

要點4：基于薄膜和纖維的柔性熱電器件（F-TEDs）的性能

圖4. 在過去5年中，實現了超過1 μW cm^?2 K^?2的歸一化功率密度 (ω_n)的基于薄膜和纖維的柔性熱電器件（F-TEDs）的總結。

要點5：便攜式/可穿戴電子設備的功率需求

圖5. 便攜式/可穿戴電子設備的功率需求總結對比。

要點6：由柔性熱電和便攜/可穿戴電子設備組成的集成系統

圖6. (a) 采用蘑菇狀結構單元的柔性熱電發電機 (F-TEG) 示意圖，該系統連接到直流電壓升壓轉換器 (ANALOG DEVICES LTC3108)，利用人體熱與環境溫差 (ΔT) 在無外部散熱器的情況下實現高功率密度的熱電發電。(b) 可編織的熱電發電機 (W-TEG) 放置在前臂上為超級電容器充電的示意圖，以及已充電超級電容器為計步器、LED 陣列和溫濕度傳感器供電的光學圖像。(c) 由 F-TEG 驅動實現高性能自供電無線傳感的無線傳感節點示意設計。(d) 用于戶外測量的自供電無線傳感節點的照片。(e) 觸摸式信息交互系統的系統圖和操作原理，利用體熱驅動的 F-TEG用于食品變質監控。

要點7：基于可穿戴柔性熱電技術的個人健康管理系統

圖7. (a) 利用 F-TEG 發電的自供電可穿戴心電圖 (ECG) 系統的示意圖。PMIC 由電壓升壓器和穩壓器電路組成。(b) ECG 的工作系統圖。(c) 多模式熱電皮膚及其功能組件的概述，包括雙模式熱電皮膚切換（能量收集模式和溫度調節模式）（上），熱電皮膚及構成整個系統的材料（左下），電流方向與溫度調節模式（冷卻/加熱）之間關系的示意圖（中下），以及附在胸部的熱電皮膚的實際照片（右下）。插圖顯示了設備在應變和彎曲條件下的表現。

要點8：聚光型太陽能熱電系統

圖8. (a) 聚光型太陽能 TEG 的概念和案例研究。該集成系統利用聚光組件獲得較大的溫差，并利用熱電材料上的大溫差發電。關鍵組件包括光譜選擇性接收器和分段式熱電器件，以最大化效率。(b) 太陽能 TEG 的典型組件及其優化參數，包括聚光器、吸收器、TEG 和散熱器。(c) 集中光束撞擊輻射結構 F-TEG 中心并產生溫度梯度的示意圖。(d) 魚鱗形 F-TEG 的示意圖。黑色薄膜代表太陽能吸收器，其下是合理處理的性能優化的 PEDT薄膜。(e) 可穿戴太陽能 TEG 的示意圖，集成了Cs_0.32WO₃光熱薄膜和熱電組件。

要點9：柔性太陽能 TEG的新型設計

圖9. (a) 螺旋形太陽能熱電條帶的工作原理和結構。(b) 由螺旋形太陽能熱電條帶組成的柔性器件制造過程的示意圖。

要點10：各種光熱能量吸收與轉換和存儲系統的設計

圖10. (a) 集成的太陽能到氫電和熱能存儲系統（STHET）的結構的俯視圖（左）和側視圖（右）。(b) 示意圖說明了基于 PCC 海綿的光熱水蒸發和熱電發電過程之間的協同界面。PCC 海綿通過將基于碳納米管/纖維素納米晶體（CNT/CNC）溶液涂覆在 PDMS 海綿上制備而成。(c) 示意圖描述了裝飾有 MnO₂ 的棉布（MC_x）在太陽能驅動的蒸汽生成和熱電發電中的應用。

要點11：柔性光伏-熱電（PV-TE）復合系統

圖11. (a) 可穿戴有機 PV-TE（OPV-TE）混合發電機的各種組件的照片，旨在最小化 OPV 模塊的 V_oc 損失。(b) OPV 和 TE 模塊之間界面的橫截面掃描電子顯微鏡（SEM）圖像，以及示意圖說明了電荷載流子的流動。(c) OPV-TE 混合發電機在經過 1000 次彎曲循環后的電阻變化（ΔR/R₀），其值小于 1%。(d) OPV-TE 混合發電機在白天佩戴在前臂上 30 分鐘的性能變化。

要點12：由柔性熱電和電池組成的集成系統

圖12. (a) 使用熱電/空氣冷卻模塊的電池組熱管理系統的示意圖。(b) 由 TEG 和電池組成的自充電可穿戴設備的示意圖，用于連續健康監測。可穿戴 TEG（WTEG）在不同時間間隔顯示出不同的電力供應。(c) 指尖血糖測試與連續血糖監測的比較。(d) WTEG 和鋰硫電池的示意圖。(e) WTEG 作為能量儲存設備儲存的電力足以操作傳感器。WTEG + 電池集成系統的協同集成實現了近場通信（NFC）血糖傳感器的連續供電，以便進行連續監測。

要點13：由柔性熱電和濕度發電組成的集成系統

圖13. (a) 2019年全球廢蒸汽分布。(b) 全球廢蒸汽的主要利用方式。(c) 用于高效利用廢蒸汽能量的集成濕度-熱電發生器的制備過程和工作原理。通過紫外光下的共聚反應合成了由聚(2-丙烯酰胺-2-甲基丙烯酸)和聚(鈉苯乙烯磺酸) (PAMPS/PSSS)交聯共聚物組成的聚電解質膜。然后，將該聚合物電解質膜夾在涂有CNT的碳布之間，構建一個柔性濕度-熱電發生器。該設備通過在濕熱協同系統中Na⁺和H⁺的解離和擴散產生電力。其在實際應用中的潛力，包括集成到面罩和蒸汽噴嘴中，具有重要意義。

要點14：功能性水凝膠作為柔性熱電的復合技術

圖14. (a) 太陽能熱電-淡水共發電器的示意圖，包括一個熱電發生器 (TEG) 和一個通過富含羥基的可溶性淀粉（淀粉-聚丙烯酰胺，S-PAM）微修飾的聚丙烯酰胺水凝膠。(b) 示意圖表示一種大氣濕氣吸收的還原氧化石墨烯 (rGO)/離子凝膠 (RIG) ，具有動態穩定的冷卻界面，能夠持續增強熱電器件的性能。(c) 自濕化水凝膠的變色原理，作為冷卻器以提高熱電等電子產品的能量轉換效率并動態指示冷卻速率。

要點15：由柔性熱電和功能性水凝膠組成的集成系統

圖15. (a) 熱電皮膚的基本概念和基礎設計。這里，Li-PAAm 指的是富鋰和溴的聚丙烯酰胺水凝膠復合材料。(b) 柔性熱電皮膚的照片及內部結構。(c) 基于熱電層和汗腺層的溫度調節機制示意圖。(d) 熱電皮膚在各種環境中的溫度調節機制示意圖。

要點16：摩擦電-熱電復合系統

圖16. (a) 集成的摩擦電-熱電混合發電機場景示意圖，展示了從熱氣流中收集能量以自供電風速和溫度傳感器的應用，實現在工業廠房環境中對熱浪的多能量收集和多參數檢測。(b) 基于織物的可穿戴摩擦電-熱電混合能量收集器的基本結構，設計用于從體動中收集摩擦力和體熱，實現混合模式的發電。(c) 展示為人類活動優化的摩擦-熱電混合發電機的合理設計的概念圖。

要點17：柔性壓電-熱電復合系統

圖17. (a) 描述壓電-熱電混合發電機制造過程的示意圖。(b) 用于電子皮膚應用的4 × 4柔性壓電-熱電雙模觸覺傳感器陣列的結構圖。(c) 附在手上的雙模傳感器陣列的照片，以及單個傳感器的放大圖像和折疊以展示其柔性的設備照片。(d) 動態壓電-熱電發電機的示意圖，展示了廢熱驅動的動態壓電發電機（左）和熱電發電機（右）的機制。(e) 基于Bi₂Te₃的多級環形熱電發電機的概念和柔性環形熱電發電機模塊的照片。

要點18：柔性熱電-鐵電復合系統

圖18. (a) 制備Sb₂Te₃薄膜的示意圖，該薄膜生長在商業Pb(Zr_0.54Ti_0.46)O₃（PZT）陶瓷片上，采用磁控濺射、退火和極化工藝。(b) 薄膜在PZT上的橫截面掃描電子顯微鏡（SEM）圖像。(c) 薄膜樣品極化的示意圖，左側表示正極化（Pr⁺）狀態，右側表示負極化（Pr^?）狀態。(d) 制備PVDF/BST復合薄膜的示意圖，這里NMP指N-甲基吡咯烷酮。(e) 復合薄膜的納米結構示意圖。(f) 附在手腕上的柔性發電機的照片。

要點19：快速雙向剛度調節的變革性電子系統（TES）

圖19. (a) TES的關鍵設計概念圖，支持快速在剛性手持電子設備和柔性可穿戴傳感器之間進行雙向轉換。平臺由鎵構建，依賴于溫度依賴的相變，通過與石墨烯和柔性熱電發電機（F-TED）的界面增強加速模式切換。(b) 示意圖說明了液態鎵在固化過程中的自由能變化（ΔG）。集成的石墨烯促進的異質成核減少了啟動固化所需的能量，使鎵更快地從液態轉變為固態。(c) 聚合物包裹的液態鎵樣品的光學圖像以及在相變過程中捕獲的紅外（IR）圖像，直觀確認了石墨烯加速鎵成核的能力。左圖中的藍色陰影框表示石墨烯涂層鎵的位置。(d) 液態鎵在熔化過程中及(e) 凍結過程中的紅外圖像，分別為復合和不復合F-TED的情況。兩張圖像都表明，F-TED顯著縮短了鎵的熔化和凍結過渡時間。

要點20：柔性熱電驅動器

圖20. （a）展示了在變形下的可伸縮半導體軟材料熱電驅動器（TED）圖像（左上），突顯了通過3D打印形成的液態金屬（LM）和中央層；液晶彈性體（LCE）形狀記憶聚合物對熱的響應（左下）；以及在驅動過程中，右側LCE-TED軟肢加熱，左側冷卻。插圖顯示了LCE層下的LM和半導體的痕跡。（b）圖像突出顯示了使用單一輸入源來改變半導體上的電流方向并反轉驅動方向。（c）圖像展示了LCE-TED驅動器遠離電源的初始和最終位置。（d）圖像顯示了LCE肢體在跟蹤熱源和增加收集電壓方面的物理智能。（e）目標機器人肢體姿態，指定為偏轉角度，通過計算機視覺系統進行測量。

要點21：應變-溫度雙傳感系統

圖21. （a）示意圖展示了基于應變-溫度雙傳感系統的電子皮膚的制造過程，以及（b）其潛在應用。系統級塊圖展示了（c）電子皮膚信號采集系統和（d）機器人手上的溫度傳感系統。（e）照片展示了通過手勢從“五”到“一”控制機器人手的情況以及每個手指的信號響應。（f）基于Cu₂₅As₃₅Se₆Te₃₄-聚四氟乙烯（CAST-PTFE）薄膜的溫度傳感系統的示意圖。（g）手與熱物體和冷物體接觸時五個手指的輸出電壓。

【總結】

隨著新能源轉換和存儲技術的迅速發展，以及人們生活需求的不斷增加，對設計和構建集成化能源轉換和存儲系統的興趣日益增長。這些集成系統可以同時捕獲和儲存來自多種自然來源的能源。在工業領域和可穿戴電子設備（如電子皮膚）等領域，已通過將熱電技術，尤其是柔性熱電技術與其他形式的能源轉換和存儲設備進行集成取得了顯著進展。這些前沿技術將熱電能量轉換與其他能源轉換技術（如太陽能電池、機械發電機和濕能發電機）結合，并配備了如充電電池和超級電容器等儲能設備，展示了多樣的應用場景和巨大的潛力。此外，我們指出了該交叉研究領域所面臨的挑戰，并展望了未來的發展方向。

圖15. 基于柔性熱電技術的復合能源轉換系統的挑戰的展望

【主要作者簡介】

史曉磊博士，澳大利亞研究理事會（ARC）優秀青年基金獲得者（DECRA Fellow），昆士蘭科技大學研究員，博士生導師，同時擔任澳大利亞碳中和零排放發電中心助理。2019年博士畢業于澳大利亞昆士蘭大學，為2015年度澳大利亞IPRS國家獎學金以及2018年度國家優秀自費留學生獎學金獲得者。長期致力于高性能熱電材料與器件的研究，目前作為主要負責人承擔ARC Discovery Project一項，ARC Linkage Project三項，ARC Research Hub一項，以及QUT ECRIS 2023等多個科研項目，總計1220余萬澳元。在澳大利亞共指導12名博士研究生，9名碩士研究生，以及2名訪問學者。連續三年為全球Top 2%頂尖科學家（2021-2023，Elsevier BV），共發表學術論文193篇（影響因子10以上111篇），著作章節1篇，發明專利4項，其中以第（共）一及通訊作者身份在高水平國際學術期刊上發表論文96篇（包括1 in Nat. Sustain., 3 in Nat. Commun., 1 in Chem. Rev., 1 in Chem. Soc. Rev.,? 3 in Prog. Mater. Sci., 1 in Mat. Sci. Eng. R, 1 in Joule, 1 in Adv. Mater., 2 in Energy Environ. Sci., 7 in Adv. Funct. Mater., 9 in Adv. Energy Mater., 2 in ACS Nano, 5 in Nano Energy, 2 in Energy Storage Mater., 1 in Adv. Sci., 1 in Appl. Phys. Rev., and 9 in Chem. Eng. J.），其中24篇被選為ESI高被引論文（前1%），2篇被選為Hot Paper（前1‰）。這些論文被Google Scholar引用11800余次，H-index達到58（i10-index 達到143）。史曉磊博士目前已在國際及區域等重要會議中做口頭報告15 次，并獲邀進行學術報告5 次。

個人主頁：https://www.qut.edu.au/about/our-people/academic-profiles/xiaolei.shi.

陳志剛教授，澳大利亞碳中和零排放發電中心創始主任，昆士蘭科技大學能源學科講席教授，物理與化學學院Academic Research Lead, 博士生導師，昆士蘭大學和南昆士蘭大學榮譽教授。長期從事功能材料在能量轉化的基礎和應用研究。2008年博士畢業，師從成會明院士和逯高清院士。博士畢業后前往澳大利亞昆士蘭大學機械與礦業學院工作，先后擔任研究員，高級研究員，榮譽副教授，榮譽教授，后轉入南昆士蘭大學擔任副教授（2016）和教授（2018）。于2021年加盟昆士蘭科技大學，擔任能源學科講席教授。先后主持澳大利亞研究委員會、澳大利亞科學院、州政府、工業項目等共計四千萬澳元的科研項目。共指導20名博士生和29名碩士研究生，其中已畢業博士生17名和碩士生30名。在Nat. Energy、Nat. Nanotech.、 Nat. Sustainability.、Chem. Rev. 、Prog. Mater. Sci.、 Adv. Mater.、 J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. In. Ed. 等國際學術期刊上發表440余篇學術論文, 被Scopus引用34000余次，H-index達100（https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=57188708630），是科睿唯安“高被引科學家” （2019-2022）和全球Top2%科學家（2019-2023，Elsevier BV）。國際知名期刊Journal of Materials Science and Technology副編輯，國際期刊Materials Today Energy, Energy Materials Advances, Progress in Natural Science, Journal of Advanced Ceramics, Rare Metals, Microstructures，EcoEnergy等編委。
個人主頁：https://www.qut.edu.au/about/our-people/academic-profiles/zhigang.chen.

澳大利亞昆士蘭科技大學（世界Top200）陳志剛熱電材料與器件課題組招收博士研究生和博士后

博士研究生申報條件：
學科背景為材料科學，物理學，化學與化學工程；
目前已經取得和將要取得碩士學位且GPA大于 6/7；
英語符合學校要求（TOFEL iBT 79，寫21，說18，聽讀16；或 IELTS Academic 6.5，單項6.0；支持PTE總分58，單項50；詳情見https://www.qut.edu.au/research/study-with-us/how-to-apply）
發表過至少一篇論文，熱電材料、器件或應用方向的優先考慮

研究方向：
高性能塊體熱電材料和器件；
柔性熱電材料和器件；
熱電材料和器件計算模擬，如DFT等。

獎學金種類：
?項目經費直接支持的獎學金（5~6個名額）；
?國家公派獎學金CSC；
澳大利亞國家獎學金；
昆士蘭科技大學獎學金。

博士后研究員研究方向：
高性能塊體熱電材料和器件；
柔性熱電材料和器件；
熱電材料和器件計算模擬，如DFT等。

學校簡介：
澳大利亞昆士蘭科技大學（簡稱QUT）是世界知名公立綜合大學，位于澳大利亞第三大城市布里斯班，以“現實世界的大學”為辦學特色，注重培養擁有國際化視野并注重培養切合社會發展需求的畢業生。目前共有在校學生約5萬名， 學校設有Gardens Point和Kelvin Grove兩個校區。QUT在2021年《QS世界新興大學排名》中居全球第17位，2024年《泰晤士高等教育世界大學綜合排名》全球前200位。QUT有九大學科領域在2021年《QS世界大學學科排名》中位列世界前100名。QUT共計培養了八名羅德學者。羅德學者獎學金（也被稱為“本科生諾貝爾獎”）是世界上最負盛名的獎學金項目之一，該獎學金已培養了40多位國家領導人、多位跨國企業董事長以及十多位諾貝爾獎得主。其主校區位于布里斯班市中心，布里斯班是澳大利亞第三大城市，也是昆士蘭州的首府。這里氣候宜人，居民熱情好客，一年中逾300天陽光明媚，年平均氣溫21°C左右，被評為全球最宜居城市之一，QS留學城市全球排名前20位，并將主辦2032年夏季奧運會。