一、背景介紹
由于當(dāng)前能源消耗的增加和世界上化石燃料的匱乏，地?zé)崮艿瓤稍偕茉醋鳛榭沙掷m(xù)的電力供應(yīng)備受關(guān)注，此外工業(yè)生產(chǎn)及人體產(chǎn)生的大部分熱量都被浪費(fèi)掉了。熱電發(fā)電機(jī)（TEG）可以將廢熱轉(zhuǎn)換成可用電能，進(jìn)而通過廢熱回收幫助提高能源效率。此外，熱能收集可以為低功率的生物可植入和可穿戴設(shè)備提供基本的能源解決方案。
目前最廣泛使用的熱電（TE）材料是金屬氧化物和高摻雜金屬合金。制作TEG的傳統(tǒng)方法是區(qū)域熔化和熱壓，這兩種方法都會產(chǎn)生較高的品質(zhì)因數(shù)（ZT）值。但是，能量轉(zhuǎn)換效率和輸出功率都與熱源和TEG之間的熱傳遞高度相關(guān)，尤其是在復(fù)雜而動態(tài)的表面上。由于傳統(tǒng)的平板結(jié)構(gòu)的限制，TE材料無法與復(fù)雜和動態(tài)熱表面形成有效的接觸和熱傳遞。因此，TEG的廣泛應(yīng)用受制于復(fù)雜和動態(tài)熱表面的熱傳遞效率。為了解決這個問題，研究人員制備出可以貼合簡單的曲面柔性TEG，但是，它們不適用于更復(fù)雜的不可展開和動態(tài)表面。此外，對于其他的TEG（通過3D打印和噴涂），動態(tài)表面的拉伸會導(dǎo)致這些TEG的電極形變過大而損壞。相比之下，可拉伸的TEG可以在動態(tài)表面上工作，但是目前的研究在于利用摻雜的硅或?qū)E材料沉積在紙/聚合物基材上，這樣會導(dǎo)致較高的內(nèi)部電阻和較低的輸出功率密度。當(dāng)前，如何制備可以在復(fù)雜和動態(tài)熱表面上使用的高功率TEG仍然是一個挑戰(zhàn)。
為了解決這一難題，武漢大學(xué)、南加州大學(xué)（USC）、圣地亞哥州立大學(xué)（SDSU）和加州大學(xué)圣地亞哥分校（UCSD）合作開發(fā)了一種可拉伸的TEG（S-TEG），它可以有效的貼合在各種復(fù)雜和動態(tài)的熱表面, 研究者測試了在動態(tài)的人體表面上該器件的可適用性以及利用S-TEG收集皮膚廢熱來給傳感器提供信號源以檢測運(yùn)動狀態(tài)，心跳以及手勢等健康檢測活動。相關(guān)成果以“Stretchable Nanolayered Thermoelectric Energy Harvester on Complex and Dynamic Surfaces”為題，發(fā)表在《Nano Letters》上（Nano Lett. 2020, https://dx.doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c01225）。圣地亞哥州立大學(xué)機(jī)械工程系助理教授Yang Yang、加州大學(xué)圣地亞哥分校博士Hongjie Hu和中南大學(xué)教授陳澤宇為論文共同第一作者，武漢大學(xué)工研院副研究員王自昱、加州大學(xué)圣地亞哥分校助理教授Sheng Xu和南加州大學(xué)教授Yong Chen為論文共同通訊作者，參與者包括南加州大學(xué)教授Qifa Zhou, 博士后Laiming Jiang, Ruimin Chen, 博士Gengxi Lu, Jie Jin, Haochen Kang, 亞利桑那州立大學(xué)助理教授Xiangjia Li和武漢大學(xué)物理學(xué)院熊銳教授，石兢教授。
二、圖文導(dǎo)讀
圖1A顯示了從人體皮膚的廢熱中收集能量的25 mm × 25 mm的硅基體上的10 × 10 TE耦合陣列示意圖。制成的S-TEG由熱并聯(lián)且電氣串聯(lián)的p-n支腳制成。pn長方體與“島橋”布局電極組裝在一起，嵌入在順應(yīng)性和超拉伸性有機(jī)硅彈性體（Ecoflex）中（圖1B）。為了平衡熱電性能和器件的可拉伸性，將長方體的尺寸優(yōu)化為1 mm × 1 mm × 0.8 mm，以顯示出較高的ΔT和較大的可拉伸性?？衫祀姌O通過激光燒蝕制造。 器件整體可以折疊，拉伸和扭曲，而不會斷裂，顯示出對皮膚變形的高耐受力。
大多數(shù)柔性TEG只能在可展開的表面上使用，但很難很好地附著在不可展開的表面上，特別是對于需要將設(shè)備拉伸30％至40％的肘部和關(guān)節(jié)。這里進(jìn)一步展示了S-TEG在不可展開的表面上的應(yīng)用，通過將設(shè)備固定在90度彎頭和三通上（圖2）。結(jié)果表明，S-TEG在這些不可顯影的表面上具有出色的附著力和性能，這對傳統(tǒng)的平面和柔性TEG來說是具有挑戰(zhàn)性的。彎頭上S-TEG的開路電壓和每單位面積的輸出功率隨ΔT的增加而增加，在ΔT = 19.7 K時分別達(dá)到117 mV和0.15 mW / cm2（圖2E）。三通上的S-TEG開路電壓和功率分別為110 mV和137.5μW（ΔT= 18.9 K）（圖2F）。S-TEG在可展開和不可展開的熱表面上均具有出色的性能，這歸因于其出色的可拉伸性，可確保表面附著和來自廢熱的熱傳遞，這對于能量收集至關(guān)重要。
此外，S-TEG在人體皮膚上的測試表現(xiàn)出色，皮膚不僅復(fù)雜而且高度彎曲，而且具有動態(tài)時間特性。可穿戴設(shè)備在TEG中具有重要的應(yīng)用，因為人體皮膚和環(huán)境溫度會提供一個自然的溫差，可以從中獲取能量（圖3A）。S-TEG還作為可穿戴設(shè)備的能源解決方案進(jìn)行了測試。如圖3D顯示了將S-TEG與flex（彎曲敏感電阻器）和力傳感器（壓力敏感電阻器）串聯(lián)連接的示意圖和電子電路設(shè)計。力傳感器的初始電阻為R1 = 1MΩ，并且該電阻將隨著壓力的增加而減小。在R2 = 50 KΩ的恒定值下，輸出電壓隨壓力而變化。S-TEG用于從動感的人類手腕中收集能量。它為連接在胸部的力傳感器提供了一個電壓信號，以~ 27 mV的輸出電壓監(jiān)測心率（圖5E）。
三、亮點(diǎn)總結(jié)
總之，研究者介紹了一種可適應(yīng)復(fù)雜和動態(tài)熱源表面的可拉伸TEG的設(shè)計和制造。將TE粉末的熱壓獲得p-n元素的高性能，并且波浪形的蛇形導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)為該設(shè)備提供了很大的拉伸性。柔性基板和電極可確保S-TEG在拉伸過程中在復(fù)雜形貌的熱表面上實現(xiàn)良好附著， 該S-TEG在可展開和不可展開表面上均顯示出優(yōu)異的性能。它的性能明顯優(yōu)于以前報道的STEG。從人體動態(tài)表面收集能量的S-TEG為可穿戴電子產(chǎn)品提供了一種潛在的能量解決方案。還可以通過將p-n耦合增加了一倍，或通過連接多個模塊以制造大型TEG設(shè)備并從日常生活和工業(yè)工程中收集廢熱的能量。
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