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深大陳光明/梁麗榮課題組 Nano Energy ：可調(diào)面內(nèi)/面外結(jié)構(gòu)的高性能柔性熱電發(fā)電機(jī)
2024-01-23  來(lái)源：高分子科技

  近年來(lái)，基于有機(jī)/無(wú)機(jī)復(fù)合熱電材料的柔性器件和熱電發(fā)電器（TEG）引起了研究者的極大興趣。但是，如何合理設(shè)計(jì)高性能器件的結(jié)構(gòu)并實(shí)現(xiàn)高輸出性能，以適應(yīng)于多種應(yīng)用場(chǎng)景，仍然面臨巨大挑戰(zhàn)。近期，深圳大學(xué)陳光明特聘教授課題組通過(guò)簡(jiǎn)便的溶液混合-真空過(guò)濾-序列溶劑后處理過(guò)程，制備了PEDOT:PSS/SWCNT復(fù)合熱電材料的柔性薄膜，研究了熱電腿的幾何參數(shù)對(duì)TEG輸出性能的影響，通過(guò)以“背靠背”模式組裝了具有可調(diào)面內(nèi)/面外結(jié)構(gòu)的柔性TEG。然后，以收集燒杯中熱水、人體或熱板中面內(nèi)和面外溫度梯度的熱量為應(yīng)用場(chǎng)景，有效地實(shí)現(xiàn)了熱-電能轉(zhuǎn)換。該工作以“High-performance flexible thermoelectric generators with tunable in-plane and out-of-plane architectures”為題近期發(fā)表在《Nano Energy》上。研究結(jié)果為構(gòu)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(shù)量(N)、溫差(ΔT)以及接觸熱/電阻等。此外，對(duì)TE腿的幾何參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)也是提高其輸出性能的途徑。本文中，通過(guò)組裝4個(gè)p-型PEDOT:PSS/SWCNT復(fù)合膜支腿，制備了一系列平面內(nèi)TEGs，并研究了TE腿的幾何參數(shù)對(duì)其輸出性能的影響。然后，根據(jù)有限元模擬分析，選擇30 mm × 7 mm × 20 μm的支腿尺寸參數(shù)進(jìn)行了柔性TEG的組裝。 


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


  基于優(yōu)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(dú)特的在垂直和平行地平面溫度梯度方向均具有可調(diào)面內(nèi)/面外結(jié)構(gòu)的柔性TEG。結(jié)果表明，所設(shè)計(jì)的TEG在外部機(jī)械變形作用下，其輸出性能表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性，Uoc在多次彎曲或壓縮循環(huán)中幾乎保持不變；與面內(nèi)TEG-10pn相比，面外TEG-10pn表現(xiàn)出相對(duì)更高的輸出性能(U, Uoc, Pout and Pmax)。


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


圖3 柔性TEG的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。（a）可調(diào)面內(nèi)/面外結(jié)構(gòu)柔性發(fā)電機(jī)示意圖；（b）可收集垂直地平面方向溫度梯度的面外結(jié)構(gòu)TEG；（c）可收集地平面水平方向溫度梯度的面內(nèi)結(jié)構(gòu)TEG


  因其具有高熱電輸出性能、機(jī)械穩(wěn)定性、可調(diào)的面內(nèi)/面外結(jié)構(gòu)以及足夠的機(jī)械柔性，因而該TEG-10pn可以應(yīng)用于多種場(chǎng)景，以方便收集熱能？梢詫⒃TEG置于燒杯上方或者纏繞在外壁，利用面內(nèi)和面外結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，TEG-10pn能夠有效利用熱水帶來(lái)的溫差，分別產(chǎn)生16.2 mV和18.6 mV的Uoc。此外，該發(fā)電機(jī)還可以在面內(nèi)模式（所有手指都捏住發(fā)電機(jī)一側(cè)）和面外模式（手掌觸摸發(fā)電機(jī)一側(cè)）下直接收集人體皮膚的熱量。另外，制備的TEG-10pn具有平面內(nèi)和面外結(jié)構(gòu)，當(dāng)放置在70℃的熱板上時(shí)，可以快速點(diǎn)亮LED燈。因此，通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，薄膜基TEGs可以方便地利用垂直和水平溫度梯度，對(duì)多種場(chǎng)景均具有良好的適應(yīng)性。 


圖4  TEG的多種應(yīng)用場(chǎng)景


  該論文的第一作者為深圳大學(xué)碩士研究生周全，通訊作者為深圳大學(xué)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(chǔ)與應(yīng)用基礎(chǔ)研究基金、深圳市基礎(chǔ)研究基金和國(guó)家自然科學(xué)基金的資助。


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

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