深大陈光明/梁丽荣课题组 Nano Energy ：可调面内/面外结构的高性能柔性热电发电机

2024-01-23 来源：高分子科技

近年来，基于有机/无机复合热电材料的柔性器件和热电发电器（TEG）引起了研究者的极大兴趣。但是，如何合理设计高性能器件的结构并实现高输出性能，以适应于多种应用场景，仍然面临巨大挑战。近期，深圳大学陈光明特聘教授课题组通过简便的溶液混合-真空过滤-序列溶剂后处理过程，制备了PEDOT:PSS/SWCNT复合热电材料的柔性薄膜，研究了热电腿的几何参数对TEG输出性能的影响，通过以“背靠背”模式组装了具有可调面内/面外结构的柔性TEG。然后，以收集烧杯中热水、人体或热板中面内和面外温度梯度的热量为应用场景，有效地实现了热-电能转换。该工作以“High-performance flexible thermoelectric generators with tunable in-plane and out-of-plane architectures”为题近期发表在《Nano Energy》上。研究结果为构建薄膜基高性能TEG提供了重要参考。

众所周知，TEG的性能主要取决于TE腿的ZT值、腿的数量(N)、温差(ΔT)以及接触热/电阻等。此外，对TE腿的几何参数进行调节也是提高其输出性能的途径。本文中，通过组装4个p-型PEDOT:PSS/SWCNT复合膜支腿，制备了一系列平面内TEGs，并研究了TE腿的几何参数对其输出性能的影响。然后，根据有限元模拟分析，选择30 mm × 7 mm × 20 μm的支腿尺寸参数进行了柔性TEG的组装。

图1 薄膜基元（热电腿）的几何参数对TEG输出性能的影响。（a）由PEDOT:PSS/SWCNT复合材料膜组成的平面内TEG；（b-d）有限元分析

基于优化后的TE支腿尺寸（30 mm × 7 mm × 20 μm），将TE支腿以“背靠背”的方式组装，提出了一种独特的在垂直和平行地平面温度梯度方向均具有可调面内/面外结构的柔性TEG。结果表明，所设计的TEG在外部机械变形作用下，其输出性能表现出优异的稳定性，U_oc在多次弯曲或压缩循环中几乎保持不变；与面内TEG-10pn相比，面外TEG-10pn表现出相对更高的输出性能(U, U_oc, P_out and P_max)。

图2 柔性TEG的输出性能。（a）不同结构的TEG-5pn和TEG-10pn的开路电压随温差的变化；（b）面外结构TEG-10pn在不同温差下的实时开路电压响应，内置小图是开路电压对温差的依赖关系；（c）跨面TEG-10pn多次弯曲循环后的开路电压变化稳定性；（d）跨面TEG-10pn在多次压缩循环下的开路电压变化；ΔT = 70K时,制备的TEG的（e）输出电压和（f）输出功率随电流的变化关系；（g）ΔT = 70K时，不同TEG的输出性能比较；（h，i）不同温差下，不同结构的TEG的功率密度

图3 柔性TEG的结构设计。（a）可调面内/面外结构柔性发电机示意图；（b）可收集垂直地平面方向温度梯度的面外结构TEG；（c）可收集地平面水平方向温度梯度的面内结构TEG

因其具有高热电输出性能、机械稳定性、可调的面内/面外结构以及足够的机械柔性，因而该TEG-10pn可以应用于多种场景，以方便收集热能。可以将该TEG置于烧杯上方或者缠绕在外壁，利用面内和面外结构设计，TEG-10pn能够有效利用热水带来的温差，分别产生16.2 mV和18.6 mV的Uoc。此外，该发电机还可以在面内模式（所有手指都捏住发电机一侧）和面外模式（手掌触摸发电机一侧）下直接收集人体皮肤的热量。另外，制备的TEG-10pn具有平面内和面外结构，当放置在70℃的热板上时，可以快速点亮LED灯。因此，通过合理的结构设计，薄膜基TEGs可以方便地利用垂直和水平温度梯度，对多种场景均具有良好的适应性。

图4 TEG的多种应用场景

该论文的第一作者为深圳大学硕士研究生周全，通讯作者为深圳大学陈光明特聘教授和梁丽荣助理教授。该研究得到了广东省基础与应用基础研究基金、深圳市基础研究基金和国家自然科学基金的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2023.109007

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（责任编辑：xu）

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