一、背景介紹
由于當前能源消耗的增加和世界上化石燃料的匱乏，地熱能等可再生能源作為可持續(xù)的電力供應備受關注，此外工業(yè)生產及人體產生的大部分熱量都被浪費掉了。熱電發(fā)電機（TEG）可以將廢熱轉換成可用電能，進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，這兩種方法都會產生較高的品質因數（ZT）值。但是，能量轉換效率和輸出功率都與熱源和TEG之間的熱傳遞高度相關，尤其是在復雜而動態(tài)的表面上。由于傳統(tǒng)的平板結構的限制，TE材料無法與復雜和動態(tài)熱表面形成有效的接觸和熱傳遞。因此，TEG的廣泛應用受制于復雜和動態(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將TE材料沉積在紙/聚合物基材上，這樣會導致較高的內部電阻和較低的輸出功率密度。當前，如何制備可以在復雜和動態(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、南加州大學（USC）、圣地亞哥州立大學（SDSU）和加州大學圣地亞哥分校（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動狀態(tài)，心跳以及手勢等健康檢測活動。相關成果以“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）。圣地亞哥州立大學機械工程系助理教授Yang Yang、加州大學圣地亞哥分校博士Hongjie Hu和中南大學教授陳澤宇為論文共同第一作者，武漢大學工研院副研究員王自昱、加州大學圣地亞哥分校助理教授Sheng Xu和南加州大學教授Yong Chen為論文共同通訊作者，參與者包括南加州大學教授Qifa Zhou, 博士后Laiming Jiang, Ruimin Chen, 博士Gengxi Lu, Jie Jin, Haochen Kang, 亞利桑那州立大學助理教授Xiangjia Li和武漢大學物理學院熊銳教授，石兢教授。
二、圖文導讀
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，嵌入在順應性和超拉伸性有機硅彈性體（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備拉伸30％至40％的肘部和關節(jié)。這里進一步展示了S-TEG在不可展開的表面上的應用，通過將設備固定在90度彎頭和三通上（圖2）。結果表明，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，皮膚不僅復雜而且高度彎曲，而且具有動態(tài)時間特性?？纱┐髟O備在TEG中具有重要的應用，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還作為可穿戴設備的能源解決方案進行了測試。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、亮點總結
總之，研究者介紹了一種可適應復雜和動態(tài)熱源表面的可拉伸TEG的設計和制造。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電網絡為該設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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