柔性热电材料研究获进展

近日，许昌学院教授郑直团队在环境友好、低成本制备高效率热电材料和技术方面取得重要进展，获得了室温水溶液反应快速、结构独特且性能优越的硒化银热电薄膜与器件。相关研究成果以“面向商用柔性热电器件的微结构定制β-硒化银（β-Ag2Se）薄膜”为题在线发表于材料科学领域期刊《先进材料》

可穿戴设备让人类成为物联网的一部分并显示出巨大的商业化前景。但由于各种电池的寿命所限，持续为可穿戴或嵌入式设备供电正面临巨大挑战。

郑直介绍说，热电发电器 (TEG) 能够以独特的方式将热能（废热）转化为电能，为可穿戴设备提供了理想能量供给方式。热电器件的热电优值、功率因子和最大输出功率密度等反映了不同微观结构对材料热电性能的影响，同时优化塞贝克系数、电导率和热导率等参数非常困难。

“另外，块体材料由于刚性特征，限制了其在柔性热电发电器中的应用。然而，薄膜硫族化物却以其高热电转换性能和柔性，为未来人工智能和可穿戴设备指明了前景。”郑直说，在这方面，β-Ag2Se在室温下作为柔性TEGs所表现出的显著优势受到了极大关注。然而，先前报道的硒化策略，不可避免地需要相对较高的温度，或者需要高压或真空条件，均不利于硒化银材料的进一步商业化推广。

自2005年开始，郑直课题组开展金属表面单质反应在能量转换中的应用研究。针对该问题，研究人员经过大量实验，最终使整个硒化反应可以在室温下进行，并可在1分钟内（最快15秒）完成。经过优化的薄膜功率因子和热电优值分别达到2590 μW m-1 K-2 和1.2的高值。以此薄膜直接作为热电腿原位制备的系列柔性薄膜热电发电器件，室温工作条件下器件功率密度达到27.6 W·m-2 （30 K温差）和124 W·m-2 （30 K温差）的超高性能，可以与商业化的 Bi2Te3（锑化铋）材料相媲美，具有工业应用前景。

该研究成果也是该校实施OPCE人才培养战略的具体体现，为探索应用型大学的科教融合提供了实践经验。该研究得到了国家自然科学基金、河南省高层次人才特殊支持计划、河南省高校科技创新团队等计划的支持。