东华大学《Nano Energy》：一种高电能输出可折叠柔性"乐高"器件

柔性热电发电机的发展为曲面低温废热的捕获提供了有效的方案，并且已经展现出为个人电子或物联网系统供能的巨大潜力。然而，目前已经报道的全固态柔性热电发电机在室温下的毫伏级别输出难以满足微电子对电能的实际需求。鉴于此，研究团队以“低内耗、高输出”为原则，开发了一种高电能输出的可折叠可组装“乐高”式柔性热电发电机。

在本工作中，研究人员首先对商业化的大面积碳纳米管薄膜进行改性，得的p型和n型热电材料被组装成一级结构热电单元。这种热电结构中的全碳单界面取代了以往热电器件中金属电极与热电材料间的双界面，可以有效降低器件的接触电阻从而提高电能输出。另外，经过热压处理，得到的二级结构热电薄膜中p-n结点处形成紧固的异质结构，有利于进一步高密度集成。

图1.（a）一级和二级热电“乐高”的结构示意图及电流输运通道；（b）热压后全碳单界面异质结的SEM照片；（c）二级热电“乐高”的实物照片

研究人员进一步利用二级结构热电“乐高”单元构筑了可折叠、可扭转的“乐高”式柔性热电发电机。三级结构的设计理念允许热电发电机可拆卸、可拼装，因此在实际应用中可根据热源曲面及电能需求增加或减少结构单元。最终，本工作中由10个二级热电“乐高”组装的热电发电机在~44 K的温差下输出1.05 V的电压，通过驱动小型电致变色窗进行了实用演示。

图2. （a）热电“乐高”发电机的结构示意图；（b）实物照片；（c）不同温差下的输出电压；（d，e）供能电致变色窗。

此外，研究人员还研究了基于热电发电机的能源管理方案。热电发电机在~13 K温差下产生的电能能够直接驱动电子设备，例如LED和电子体温计。

图3. （a）不同电子设备的额定电压和功率；（b）能源管理方案的电路图；（c）热电发电机的输出电压和能源管理方案的转换电压；（d, e）供能电子设备。

该成果以《从碳纳米管到高适应性和柔性的高性能热电发电机》(“From carbon nanotubes to highly adaptive andflexible high-performance thermoelectric generators”)为题发表于国际知名学术期刊《纳米能源》(Nano Energy, 2021, doi:10.1016/j.nanoen.2021.106487)。东华大学为论文第一完成单位，材料科学与工程学院长学制博士研究生吴波为第一作者，侯成义副研究员、李耀刚教授为共同通讯作者。

该研究工作得到了国家自然科学基金、上海市启明星计划、东华大学励志计划等基金的资助。

*感谢论文作者团队对本文的大力支持。

来源：材料科学与工程