柔性熱電材料研究獲進展

近日，許昌學院教授鄭直團隊在環境友好、低成本制備高效率熱電材料和技術方面取得重要進展，獲得了室溫水溶液反應快速、結構獨特且性能優越的硒化銀熱電薄膜與器件。相關研究成果以“面向商用柔性熱電器件的微結構定制β-硒化銀（β-Ag2Se）薄膜”為題在線發表于材料科學領域期刊《先進材料》

可穿戴設備讓人類成為物聯網的一部分并顯示出巨大的商業化前景。但由于各種電池的壽命所限，持續為可穿戴或嵌入式設備供電正面臨巨大挑戰。

鄭直介紹說，熱電發電器 (TEG) 能夠以獨特的方式將熱能（廢熱）轉化為電能，為可穿戴設備提供了理想能量供給方式。熱電器件的熱電優值、功率因子和最大輸出功率密度等反映了不同微觀結構對材料熱電性能的影響，同時優化塞貝克系數、電導率和熱導率等參數非常困難。

“另外，塊體材料由于剛性特征，限制了其在柔性熱電發電器中的應用。然而，薄膜硫族化物卻以其高熱電轉換性能和柔性，為未來人工智能和可穿戴設備指明了前景。”鄭直說，在這方面，β-Ag2Se在室溫下作為柔性TEGs所表現出的顯著優勢受到了極大關注。然而，先前報道的硒化策略，不可避免地需要相對較高的溫度，或者需要高壓或真空條件，均不利于硒化銀材料的進一步商業化推廣。

自2005年開始，鄭直課題組開展金屬表面單質反應在能量轉換中的應用研究。針對該問題，研究人員經過大量實驗，最終使整個硒化反應可以在室溫下進行，并可在1分鐘內（最快15秒）完成。經過優化的薄膜功率因子和熱電優值分別達到2590 μW m-1 K-2 和1.2的高值。以此薄膜直接作為熱電腿原位制備的系列柔性薄膜熱電發電器件，室溫工作條件下器件功率密度達到27.6 W·m-2 （30 K溫差）和124 W·m-2 （30 K溫差）的超高性能，可以與商業化的 Bi2Te3（銻化鉍）材料相媲美，具有工業應用前景。

該研究成果也是該校實施OPCE人才培養戰略的具體體現，為探索應用型大學的科教融合提供了實踐經驗。該研究得到了國家自然科學基金、河南省高層次人才特殊支持計劃、河南省高校科技創新團隊等計劃的支持。