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深大陳光明/梁麗榮課題組 Nano Energy ：可調面內/面外結構的高性能柔性熱電發電機

2024-01-23 來源：高分子科技

近年來，基于有機/無機復合熱電材料的柔性器件和熱電發電器（TEG）引起了研究者的極大興趣。但是，如何合理設計高性能器件的結構并實現高輸出性能，以適應于多種應用場景，仍然面臨巨大挑戰。近期，深圳大學陳光明特聘教授課題組通過簡便的溶液混合-真空過濾-序列溶劑后處理過程，制備了PEDOT:PSS/SWCNT復合熱電材料的柔性薄膜，研究了熱電腿的幾何參數對TEG輸出性能的影響，通過以“背靠背”模式組裝了具有可調面內/面外結構的柔性TEG。然后，以收集燒杯中熱水、人體或熱板中面內和面外溫度梯度的熱量為應用場景，有效地實現了熱-電能轉換。該工作以“High-performance flexible thermoelectric generators with tunable in-plane and out-of-plane architectures”為題近期發表在《Nano Energy》上。研究結果為構建薄膜基高性能TEG提供了重要參考。

眾所周知，TEG的性能主要取決于TE腿的ZT值、腿的數量(N)、溫差(ΔT)以及接觸熱/電阻等。此外，對TE腿的幾何參數進行調節也是提高其輸出性能的途徑。本文中，通過組裝4個p-型PEDOT:PSS/SWCNT復合膜支腿，制備了一系列平面內TEGs，并研究了TE腿的幾何參數對其輸出性能的影響。然后，根據有限元模擬分析，選擇30 mm × 7 mm × 20 μm的支腿尺寸參數進行了柔性TEG的組裝。

圖1 薄膜基元（熱電腿）的幾何參數對TEG輸出性能的影響。（a）由PEDOT:PSS/SWCNT復合材料膜組成的平面內TEG；（b-d）有限元分析

基于優化后的TE支腿尺寸（30 mm × 7 mm × 20 μm），將TE支腿以“背靠背”的方式組裝，提出了一種獨特的在垂直和平行地平面溫度梯度方向均具有可調面內/面外結構的柔性TEG。結果表明，所設計的TEG在外部機械變形作用下，其輸出性能表現出優異的穩定性，U_oc在多次彎曲或壓縮循環中幾乎保持不變；與面內TEG-10pn相比，面外TEG-10pn表現出相對更高的輸出性能(U, U_oc, P_out and P_max)。

圖2 柔性TEG的輸出性能。（a）不同結構的TEG-5pn和TEG-10pn的開路電壓隨溫差的變化；（b）面外結構TEG-10pn在不同溫差下的實時開路電壓響應，內置小圖是開路電壓對溫差的依賴關系；（c）跨面TEG-10pn多次彎曲循環后的開路電壓變化穩定性；（d）跨面TEG-10pn在多次壓縮循環下的開路電壓變化；ΔT = 70K時,制備的TEG的（e）輸出電壓和（f）輸出功率隨電流的變化關系；（g）ΔT = 70K時，不同TEG的輸出性能比較；（h，i）不同溫差下，不同結構的TEG的功率密度

圖3 柔性TEG的結構設計。（a）可調面內/面外結構柔性發電機示意圖；（b）可收集垂直地平面方向溫度梯度的面外結構TEG；（c）可收集地平面水平方向溫度梯度的面內結構TEG

因其具有高熱電輸出性能、機械穩定性、可調的面內/面外結構以及足夠的機械柔性，因而該TEG-10pn可以應用于多種場景，以方便收集熱能。可以將該TEG置于燒杯上方或者纏繞在外壁，利用面內和面外結構設計，TEG-10pn能夠有效利用熱水帶來的溫差，分別產生16.2 mV和18.6 mV的Uoc。此外，該發電機還可以在面內模式（所有手指都捏住發電機一側）和面外模式（手掌觸摸發電機一側）下直接收集人體皮膚的熱量。另外，制備的TEG-10pn具有平面內和面外結構，當放置在70℃的熱板上時，可以快速點亮LED燈。因此，通過合理的結構設計，薄膜基TEGs可以方便地利用垂直和水平溫度梯度，對多種場景均具有良好的適應性。

圖4 TEG的多種應用場景

該論文的第一作者為深圳大學碩士研究生周全，通訊作者為深圳大學陳光明特聘教授和梁麗榮助理教授。該研究得到了廣東省基礎與應用基礎研究基金、深圳市基礎研究基金和國家自然科學基金的資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.109007

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（責任編輯：xu）

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