《先进功能材料》发表威尼斯电子游戏柔性热电材料领域最新研究成果

发布时间:2019-04-25发布部门:材料科学与工程学院,科研处

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近日,威尼斯电子游戏青年教师侯成义在柔性热电材料及器件领域取得新进展,相关研究成果以《基于全无机薄膜材料的高性能低温差发电柔性热电器件》(High-Performance Flexible Thermoelectric Devices Based on All-InorganicHybrid Films for Harvesting Low-Grade Heat,DOI: 10.1002/adfm.201900304)为题发表于材料领域国际知名期刊《先进功能材料》(Advanced Functional Materials)。威尼斯电子游戏博士生吴波与博士后郭洋为该论文共同第一编辑,侯成义副研究员、李耀刚教授为共同通讯编辑。

人体是一个巨大的能量源,其中70~85%的能量以热辐射的方式散失在周围环境中。将人体热量等低温段能量有效利用,有望解决可穿戴设备等电子器件的持续供能问题。热电材料可以将这部分热能直接转化为电能,但若想将其应用于随身能源,仍需解决热电材料柔性差、输出低的问题。

理论表明块体热电材料的低维化将极大提高其热电性能,鉴于此,本研究团队开展了一系列低维热电材料的探索研究。在团队前期的研究中,研究人员开发了基于石墨烯材料的热电响应“电子皮肤”(Advanced Materials, 2014, 26: 5018-5024.)以及柔性太阳能热电池模型(Carbon, 2015, 95: 150-156.)。为了进一步优化柔性热电器件,研究团队构筑了全石墨烯多孔结构(Carbon, 2016, 107: 146-153.)与Au-MoS2纳米片异质结(ACS Applied Materials &Interfaces,2018, 10: 33316-33321.),提高了材料的Seebeck系数,同时降低了其热导率。制备的柔性薄膜的功率因子高达166.3 μW m-1 K-2,可有效转换人体热能。

在本工作中,研究人员将目光转到高Seebeck系数的Bi2Te3与Sb2Te3材料,分别合成二维Bi2Te3与Sb2Te3纳米片,并利用化学转化石墨烯片(rGO)和单壁碳纳米管(SWCNTs)三维网络掺杂引入载流子传输通道,获得兼具高热电性能与高柔性的n型rGO/Bi2Te3和p型SWCNTs/Sb2Te3热电薄膜材料。

(热电薄膜在退火过程中纳米片、碳材料表面的反应机制,薄膜内载流子和声子传输机制)

作为拓扑绝缘体,二维Bi2Te3和Sb2Te3纳米片具有表面导电和体内绝缘的特性,但其导电表面极易氧化形成不利于载流子传输的钝化层。高温退火过程可以有效去除二维纳米片表面的氧化态,为载流子传输提供通路,提高热电薄膜的功率因子(分别达到108和55μW m-1 K-2)。同时rGO和SWCNTs紧密包覆在纳米片表面,有效保护二维纳米片不被过度氧化。rGO纳米片、SWCNTs与Bi2Te3、Sb2Te3纳米片界面间的能量势垒对低能量载流子产生过滤效应,对短程声子同时产生散射作用,提高了材料的Seebeck系数、降低了材料的热导率。上述全无机材料组成的柔性热电薄膜在超过800次的循环弯折下,热电性能下降不超过20%。

(热电器件的输出测试与应用演示)

将n型和p型薄膜组装得到的温度敏感的热电手环,其不仅能够作为体征/环境温度传感器件,在低温差(70 K)下的相对高输出功率(23.6μW)也使其成为随身能源装备的有益补充。例如,研究人员还将此热电器件与柔性光伏电池组装得到全天候持续供能的可穿戴光伏热电一体化器件,其中热电层可有效俘获光伏电池工作中产生的废热并将其转换成电能,在AM0的标准光源下输出的热电势可达到13 mV。同时通过转移光伏电池工作过程产生的热量,实现对光伏电池降温,并将光伏电池的能量转换效率提高了约2%。

(光伏热电一体化器件结构、应用示意图以及性能测试)

该研究得到国家自然科学基金、上海市自然科学基金、威尼斯电子游戏励志计划、中国科协青年人才托举工程、上海市青年拔尖人才等项目的大力资助。

论文全文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.201900304


视频:   摄影: 撰写:吴波  信息员:星禧  编辑:段然

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