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上海平博所斥地无机柔性热电材料研究新标的目的
2019-09-10 20:15:49 | 【 【打印】【封闭】

  柔性热电能量转换技术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广漠的使用前景。然而,今朝的高机能无机热电材料均为脆性材料,不具有柔性功能,将其微型化并集成于柔性基板可获得必然程度的弯曲机能,但在大弯曲或大变形下极易发生断裂;而无机热电材料虽然具有优良的柔性和弯曲机能,但载流子迁移率远低于无机材料,难以完成高效的能量转换与电能输出。 

  比来,中国科学院上海平博研究所史迅研究员、陈立东研究员、孙宜阳研究员、仇鹏飞副研究员等和美国克莱门森大学贺健教授互助,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。该研究斥地了无机柔性热电材料研究新标的目的,为基于高机能无机材料的全柔性热电转换新技术的斥地处理了最起始也是最环节的一个难点。相关研究功能以“Flexible thermoelectrics: from silver chalcogenides to full-inorganic devices”为题颁发在Energy & Environmental Science(2019DOI: 10.1039/C9EE01777A)。 

  新型高机能无机柔性热电材料必需同时兼顾优良的塑性和热电机能。该团队前期报道了室温第一种无机柔性半导体材料Ag2SNature Mateials., 2018, 17, 421-426),摔不碎且可自由弯曲,具有很是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)的优化成果很是微弱。因而,Ag2S基体并非抱负的热电材料,对其进行掺杂改性等无望大幅度提高它的热电机能,但材料可否继续维持优良的柔性和塑性成为一个未知而又环节的问题。在该工作中,研究团队合成为一系列SeTe固溶的Ag2S材料,发觉SeTe的固溶可显著降低Ag间隙离子的缺陷构成能,导致Ag间隙离子浓度添加,因而电输运机能获得较着改善,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标的目的挪动,在室温时热电优值最高为0.44 

  Ag2SeAg2Te在室温下均出现脆性,不具有塑性和柔性。因而,固溶SeTe也会对Ag2S的力学机能发生复杂影响。压缩试验、三点弯曲试验等力学测试成果表白,当Se的含量小于60%Te的含量小于70%时,材料的塑性和柔性均获患了维持。因而,当SeTe的成分在20%-60%区间时,材料兼具优良的塑性和热电机能。研究团队拔取弯曲半径3 mm进行测试,发觉Ag2S0.5Se0.5薄片履历1000次几次弯曲后,电导率和塞贝克系数几乎未发生变化,表白材料的机能受应力影响较小,可满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底子上,研究团队制备了由6nAg2S0.5Se0.5热电臂和pPt-Rh线构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,比今朝最好的纯无机热电器件高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给优异的柔性和热电转换机能,且具有环境敌对、不变靠得住、寿命长等长处,无望在以分布式、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遍及使用。 

  研究工作获患了国度重点研发专项、国度天然科学基金、中国科学院青年立异推动会、上海市青年科技启明星等项方针赞助和支撑。    

  链接:https://doi.org/10.1039/C9EE01777A 

 

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企图和实物图。d) Ag2S基柔性热电器件和其它已报道的柔性热电器件的功率密度对比。 

    

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