上海硅酸盐所等开辟无机柔性热电材料研究新方向

 行业动态     |      2019-09-18 06:13

凯发k8ag旗舰厅柔性热电能量转化技能可将环境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宽广的使用远景。但是,现在的高功能无机热电资料均为脆性资料,不具备柔性功用,将其微型化并集成于柔性基板可取得必定程度的曲折功能,但在大曲折或大变形下极易发作开裂;而有机热电资料尽管具有杰出的柔性和曲折功能,但载流子迁移率远低于无机资料,难以实现高效的能量转化与电能输出。

  最近,中国科学院上海硅酸盐研讨所研讨员史迅、陈立东、孙宜阳、副研讨员仇鹏飞等和美国克莱门森大学教授贺健协作,开宣布根据Ag2S柔性半导体的新式高功能无机柔性热电资料和器材。该研讨拓荒了无机柔性热电资料研讨新方向,为根据高功能无机资料的全柔性热电转化新技能的开发处理了最开始也是最要害的一个难点。相关研讨成果以Flexible thermoelectrics: from silver chalcogenides to full-inorganic devices 为题宣布在Energy & Environmental Science上(2019,DOI: 10.1039/C9EE01777A)。

  新式高功能无机柔性热电资料有必要一起统筹杰出的塑性和热电功能。该团队前期报导了室温第一种无机柔性半导体资料Ag2S(Nature Mateials., 2018, 17, 421-426),摔不碎且可自在曲折,具有十分优异的柔性和曲折功能。但是,Ag2S的能带带隙约为1.0 eV,其室温下电导率和热电功能极低,对其本征缺点(如空隙Ag原子等)的优化作用十分弱小。因而,Ag2S基体并非抱负的热电资料,对其进行掺杂改性等有望大幅度进步它的热电功能,但资料能否持续保持杰出的柔性和塑性成为一个不知道而又要害的问题。在该工作中,研讨团队合成了一系列Se或Te固溶的Ag2S资料,发现Se和Te的固溶可显着下降Ag空隙离子的缺点构成能,导致Ag空隙离子浓度添加,因而电输运功能取得显着改进,功率因子最大可达约5 μW·cm-1·K-2。一起,固溶Se/Te大幅度下降了资料的能带空隙,使热电优值的峰值往低温方向移动,在室温时热电优值最高为0.44。

  Ag2Se和Ag2Te在室温下均出现脆性,不具备塑性和柔性。因而,固溶Se或Te也会对Ag2S的力学功能发生巨大影响。紧缩实验、三点曲折实验等力学测验结果标明,当Se的含量小于60%或Te的含量小于70%时,资料的塑性和柔性均得到了保持。因而,当Se或Te的成分在20%-60%区间时,资料兼具杰出的塑性和热电功能。研讨团队选取曲折半径3 mm进行测验,发现Ag2S0.5Se0.5薄片阅历1000次重复曲折后,电导率和塞贝克系数简直未发作变化,标明资料的功能受应力影响较小,可满意柔性可穿戴供电的要求。

  在取得高功能无机柔性热电资料的基础上,研讨团队制备了由6对n型Ag2S0.5Se0.5热电臂和p型Pt-Rh线构成的面内型热电发电器材。在20 K温差下,最大归一化功率密度到达0.08W·m-2,比现在最好的纯有机热电器材高1-2个数量级。

  该研讨所开发的根据Ag2S柔性半导体的新式高功能无机柔性热电资料和器材可一起供给优异的柔性和热电转化功能,且具有环境友好、安稳牢靠、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取得广泛使用。

  研讨工作得到国家重点研制专项、国家自然科学基金、中科院青年立异促进会、上海市青年科技启明星项目等的赞助和支撑。

a) Ag2S-Ag2Se-Ag2Te系统的“塑性-zT”相图。b) Ag2S基柔性热电资料的优异力学功能。c) Ag2S基柔性热电器材的示意图和实物图。d) Ag2S基柔性热电器材和其它已报导的柔性热电器材的功率密度比照。