上海科学家研制0.3毫米超薄π型柔性热电器件 为柔性热电技术提供了全新解决方案

上海科学家研制0.3毫米超薄π型柔性热电器件 为柔性热电技术提供了全新解决方案飞入寻常百姓家
来源:新民晚报   作者:郜阳   2022-08-20 08:39:09

图说:基于无机塑性材料的超薄热电器件实物图及器件性能 采访对象供图

新民晚报讯(记者 郜阳)柔性电子被誉为未来革命性的电子技术,有望广泛应用于能源、医疗等领域,但它的发展严重受制于可自供电、易携带、高可靠的超薄柔性电源的缺失。而热电转换技术可将人体或环境的热量转换为电能,具有体积小、无传动组件、无噪音、可全天候工作等优点,可为柔性电子提供一种可行的自供电解决方案。

最近,中国科学院上海硅酸盐研究所仇鹏飞研究员、史迅研究员、陈立东研究员等和瑞典乌普萨拉大学章贞教授合作,开发出系列高性能p型无机塑性热电材料,并基于此研制出厚度仅为0.3毫米的超薄π型柔性热电器件,其功率密度不但数量级高于已报道的柔性热电器件,而且还数倍高于现有的刚性热电器件。相关研究成果近日登上国际顶尖学术期刊《科学》(Science)。

目前,柔性热电技术的研究一般直接使用具有良好柔塑性的有机热电材料,或者将脆性的无机热电材料集成于柔性基板——前者的电性能较低,导致输出电压和功率远低于无机材料;后者结构与工艺复杂,难以制备出超薄柔性器件。

近年来发现的室温塑性无机半导体如Ag2S和二维范德华InSe单晶,将金属/有机材料的力学特性与无机半导体的电学特性完美地集于一身;在其基础上通过元素的固溶掺杂等改性研究,研制出一系列n型高性能无机塑性热电材料,室温和高温热电优值分别达到0.44和0.80。

这些新材料的研究为柔性热电技术提供了全新的研究思路与解决方案。然而,目前p型无机塑性热电材料的种类非常稀少、室温附近热电优值极低(约0.01),严重制约了传统π型(面外型)超薄柔性热电器件的研制及应用。

在这项研究中,科研人员发现,Ag基化合物一般为n型导电,而Cu基化合物一般为p型导电;高含量的Ag-S键易导致塑性,而高含量的Cu-Se/Te键易导致脆性。研究团队系统研究了AgCu的物相组成、电热输运性能和力学性能,绘制出该体系的“脆性-塑性”与“n-p型”转变相图。

结合已报道的n型无机塑性热电材料,研究团队选取p型和n型相关材料作为柔性器件的热电臂(厚度低至0.1毫米),成功研制出最薄为0.3毫米、填充率最高为72%的超薄无机柔性热电器件。该柔性器件同时展示出良好的服役稳定性,在15毫米弯曲半径下,经受500次弯曲后其内阻几乎不变。

科研人员介绍,该研究为柔性热电技术提供了一种全新的解决方案,能将人体或环境热量快速有效地转换成电能,具有稳定可靠、长寿命、超薄、可弯曲、全天候工作等优点,有望为柔性电子提供一种高效的自供电技术。

编辑:陆佳慧

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