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上海硅酸盐所等开辟无机柔性热电材料研究新方向

2019-09-11 17:36暂无阅读:858评论:0

柔性热电能量转换手艺可将情况中无处不在的温差转化为电能输出,在柔性电子等范畴具有广宽的应用前景。然而,今朝的高机能无机热电材料均为脆性材料,不具备柔性功能,将其微型化并集成于柔性基板可获得必然水平的弯曲机能,但在大弯曲或大变形下极易发生断裂;而有机热电材料固然具有精巧的柔性和弯曲机能,但载流子迁徙率远低于无机材料,难以实现高效的能量转换与电能输出。

比来,中国科学院上海硅酸盐研究所研究员史迅、陈立东、孙宜阳、副研究员仇鹏飞等和美国克莱门森大学传授贺健合作,斥地出基于Ag2S柔性半导体的新型高机能无机柔性热电材料和器件。该研究拓荒了无机柔性热电材料研究新偏向,为基于高机能无机材料的全柔性热电转换新手艺的斥地解决了最肇端也是最要害的一个难点。相关研究功效以Flexible thermoelectrics: from silver chalcogenides to full-inorganic devices 为题揭橥在Energy & Environmental Science上(2019,DOI: 10.1039/C9EE01777A)。

新型高机能无机柔性热电材料必需同时兼顾精巧的塑性和热电机能。该团队前期报道了室温第一种无机柔性半导体材料Ag2S(Nature Mateials., 2018, 17, 421-426),摔不碎且可自由弯曲,具有非常优异的柔性和弯曲机能。然而,Ag2S的能带带隙约为1.0 eV,其室温下电导率和热电机能极低,对其本征缺陷(如间隙Ag原子等)的优化结果非常微弱。是以,Ag2S基体并非幻想的热电材料,对其进行掺杂改性等有望大幅度提高它的热电机能,但材料可否持续维持精巧的柔性和塑性成为一个未知而又要害的问题。在该工作中,研究团队合成了一系列Se或Te固溶的Ag2S材料,发现Se和Te的固溶可显著降低Ag间隙离子的缺陷形成能,导致Ag间隙离子浓度增加,因而电输运机能获得显着改善,功率因子最大可达约5 μW·cm-1·K-2。同时,固溶Se/Te大幅度降低了材料的能带间隙,使热电优值的峰值往低温偏向移动,在室温时热电优值最高为0.44。

Ag2Se和Ag2Te在室温下均呈现脆性,不具备塑性和柔性。是以,固溶Se或Te也会对Ag2S的力学机能发生伟大影响。压缩试验、三点弯曲试验等力学测试究竟表明,当Se的含量小于60%或Te的含量小于70%时,材料的塑性和柔性均获得了维持。是以,当Se或Te的成分在20%-60%区间时,材料兼具精巧的塑性和热电机能。研究团队拔取弯曲半径3 mm进行测试,发现Ag2S0.5Se0.5薄片履历1000次频频弯曲后,电导率和塞贝克系数几乎未发生转变,表明材料的机能受应力影响较小,可知足柔性可穿戴供电的要求。

在获得高机能无机柔性热电材料的根蒂上,研究团队制备了由6对n型Ag2S0.5Se0.5热电臂和p型Pt-Rh线组成的面内型热电发电器件。在20 K温差下,最大归一化功率密度达到0.08W·m-2,比今朝最好的纯有机热电器件高1-2个数量级。

该研究所斥地的基于Ag2S柔性半导体的新型高机能无机柔性热电材料和器件可同时供应优异的柔性和热电转换机能,且具有情况友好、不乱靠得住、寿命长等长处,有望在以分布式、可穿戴式、植入式为代表的新一代智能微纳电子系统等范畴获得普遍应用。

研究工作获得国度重点研发专项、国度天然科学基金、中科院青年立异促进会、上海市青年科技启明星项目等的帮助和支撑。

a) Ag2S-Ag2Se-Ag2Te系统的“塑性-zT”相图。b) Ag2S基柔性热电材料的优异力学机能。c) Ag2S基柔性热电器件的示意图和实物图。d) Ag2S基柔性热电器件和另外已报道的柔性热电器件的功率密度对比。