??人體是一個(gè)巨大能量源，70~85%能量以熱輻射的方式散失在周?chē)h(huán)境。若將人體熱量等低溫段能量有效利用，有望解決可穿戴設(shè)備等電子器件的持續(xù)供能問(wèn)題。東華團(tuán)隊(duì)近期在該領(lǐng)域研究獲得進(jìn)展，一起來(lái)看看吧！

近日，東華大學(xué)青年教師侯成義在柔性熱電材料及器件領(lǐng)域取得新進(jìn)展，相關(guān)研究成果以《基于全無(wú)機(jī)薄膜材料的高性能低溫差發(fā)電柔性熱電器件》（High-Performance Flexible Thermoelectric Devices Based on All-InorganicHybrid Films for Harvesting Low-Grade Heat）為題發(fā)表于材料領(lǐng)域國(guó)際知名期刊《先進(jìn)功能材料》（Advanced Functional Materials）。東華大學(xué)博士生吳波與博士后郭洋為該論文共同第一作者，侯成義副研究員、李耀剛教授為共同通訊作者。

理論表明塊體熱電材料的低維化將極大提高其熱電性能，鑒于此，本研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)展了一系列低維熱電材料的探索研究。在團(tuán)隊(duì)前期的研究中，研究人員開(kāi)發(fā)了基于石墨烯材料的熱電響應(yīng)“電子皮膚”（Advanced Materials, 2014, 26: 5018-5024.）以及柔性太陽(yáng)能熱電池模型（Carbon, 2015, 95: 150-156.）。為了進(jìn)一步優(yōu)化柔性熱電器件，研究團(tuán)隊(duì)構(gòu)筑了全石墨烯多孔結(jié)構(gòu)（Carbon, 2016, 107: 146-153.）與Au-MoS2納米片異質(zhì)結(jié)（ACS Applied Materials &Interfaces,2018, 10: 33316-33321.），提高了材料的Seebeck系數(shù)，同時(shí)降低了其熱導(dǎo)率。制備的柔性薄膜的功率因子高達(dá)166.3 μW m-1 K-2，可有效轉(zhuǎn)換人體熱能。工作中，研究人員將目光轉(zhuǎn)到高Seebeck系數(shù)的Bi2Te3與Sb2Te3材料，分別合成二維Bi2Te3與Sb2Te3納米片，并利用化學(xué)轉(zhuǎn)化石墨烯片（rGO）和單壁碳納米管（SWCNTs）三維網(wǎng)絡(luò)摻雜引入載流子傳輸通道，獲得兼具高熱電性能與高柔性的n型rGO/Bi2Te3和p型SWCNTs/Sb2Te3熱電薄膜材料。

（a）Bi2Te3、Sb2Te3 二維納米片和（b）碳納米材料在退火過(guò)程中的反應(yīng)機(jī)制、（c）薄膜內(nèi)載流子和聲子傳輸機(jī)制

作為拓?fù)浣^緣體，二維Bi2Te3和Sb2Te3納米片具有表面導(dǎo)電和體內(nèi)絕緣的特性，但其導(dǎo)電表面極易氧化形成不利于載流子傳輸?shù)拟g化層。高溫退火過(guò)程可以有效去除二維納米片表面的氧化態(tài)，為載流子傳輸提供通路，提高熱電薄膜的功率因子（分別達(dá)到108和55μW m-1 K-2）。同時(shí)rGO和SWCNTs緊密包覆在納米片表面，有效保護(hù)二維納米片不被過(guò)度氧化。rGO納米片、SWCNTs與Bi2Te3、Sb2Te3納米片界面間的能量勢(shì)壘對(duì)低能量載流子產(chǎn)生過(guò)濾效應(yīng)，對(duì)短程聲子同時(shí)產(chǎn)生散射作用，提高了材料的Seebeck系數(shù)、降低了材料的熱導(dǎo)率。上述全無(wú)機(jī)材料組成的柔性熱電薄膜在超過(guò)800次的循環(huán)彎折下，熱電性能下降不超過(guò)20%。

（a-f）柔性熱電器件的輸出測(cè)試；（g-j）器件的應(yīng)用演示| 

將n型和p型薄膜組裝得到的溫度敏感的熱電手環(huán)，不僅能夠作為體征/環(huán)境溫度傳感器件，在低溫差（70 K）下的相對(duì)高輸出功率（23.6μW），也使其成為隨身能源裝備的有益補(bǔ)充。例如，研究人員還將此熱電器件與柔性光伏電池組裝得到全天候持續(xù)供能的可穿戴光伏熱電一體化器件，其中熱電層可有效俘獲光伏電池工作中產(chǎn)生的廢熱并將其轉(zhuǎn)換成電能，在AM0的標(biāo)準(zhǔn)光源下輸出的熱電勢(shì)可達(dá)到13 mV。同時(shí)通過(guò)轉(zhuǎn)移光伏電池工作過(guò)程產(chǎn)生的熱量，實(shí)現(xiàn)對(duì)光伏電池降溫，并將光伏電池的能量轉(zhuǎn)換效率提高了約2%。

（a）光伏熱電一體化器件的結(jié)構(gòu)示意圖、（b-d）一體化器件的性能測(cè)試、（e-f）一體化器件的應(yīng)用演示|

該研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市自然科學(xué)基金、東華大學(xué)勵(lì)志計(jì)劃、中國(guó)科協(xié)青年人才托舉工程、上海市青年拔尖人才等項(xiàng)目的大力資助。