具有熱能收集功能的無電池設(shè)備

研究人員開發(fā)了一種新材料，可以將熱量轉(zhuǎn)化為電能，效果明顯優(yōu)于以前的熱電材料。這一發(fā)現(xiàn)可能是物聯(lián)網(wǎng)的巨大福音。

基于電池的解決方案 正變得更加高效和小型化。然而，對(duì)于某些應(yīng)用，例如旨在實(shí)現(xiàn)零能耗的物聯(lián)網(wǎng)傳感器，不可能對(duì)電池進(jìn)行足夠的改進(jìn)。這些設(shè)備將轉(zhuǎn)而依賴能量收集技術(shù)。

能量收集 是指從環(huán)境或系統(tǒng)本身收集為電子設(shè)備供電所需的能量的能力。對(duì)能量收集的興趣刺激了互補(bǔ)技術(shù)的發(fā)展，例如超低功耗（皮瓦）微電子和超級(jí)電容器。

這就是熱電材料——可以將熱量轉(zhuǎn)化為電能的材料——發(fā)揮作用的地方。這種前所未有的能力可用于為各種技術(shù)提供自主和可再生能源，例如傳感器甚至小型計(jì)算機(jī)處理器，使它們能夠從溫差中產(chǎn)生自己的能量。越來越高效的設(shè)備的出現(xiàn)可以為充分利用能量收集的新解決方案鋪平道路。

塞貝克效應(yīng)是當(dāng)材料兩側(cè)之間的溫度梯度產(chǎn)生電壓時(shí)。PN 結(jié)是熱電器件 (TEG) 的基本組件，由單一結(jié)構(gòu)的 P 型和 N 型熱電材料組成，通過在硅中摻雜硼 (P) 和磷 (N) 等雜質(zhì)實(shí)現(xiàn)，每個(gè)結(jié)構(gòu)都串聯(lián)電連接。

圖 1：TEG 發(fā)生器基本上由具有兩個(gè)表面的珀耳帖電池表示：熱 (h) 和冷 (c)

TEG 模塊本質(zhì)上由許多串聯(lián)的 PN 對(duì)組成。這種結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生與熱梯度成正比的電壓：從熱的角度來看，PN 對(duì)平行放置。熱電或 TEG 發(fā)電模塊已經(jīng)在許多應(yīng)用中使用，這些應(yīng)用收集放射性物質(zhì)供應(yīng)衰變釋放的熱量（圖 1）。該過程的效率取決于器件熱 (Th) 和冷 (Tc) 側(cè)之間的溫差以及熱電材料的性能，用熱電品質(zhì)因數(shù) ZT 表示：

其中 S、ρ 和 λ 分別是塞貝克系數(shù)、電阻率和熱導(dǎo)率，T 是測量熱電特性時(shí)的溫度。所謂的ZT值衡量的是在給定的溫差下所能產(chǎn)生的電能的多少：一種材料的ZT值越高，其熱電性能越好。為了提高某種材料的熱電性能，功率因數(shù) PF = S2/ρ 必須增加，熱導(dǎo)率 λ = λe + λph 必須降低（λe 和 λph 分別表示電子和聲子貢獻(xiàn)）。

該熱過程的效率基于三個(gè)參數(shù)：塞貝克系數(shù)、電阻率和熱導(dǎo)率。構(gòu)成品質(zhì)因數(shù)的這三個(gè)單獨(dú)的物理屬性并不是相互獨(dú)立的。因此，在不惡化另一個(gè)的情況下改進(jìn)一個(gè)是困難的或不可能的。λ pH值(T) 是唯一可以自由改變而不影響其他量的量。因此，提高整體效率的最有希望的方法是通過減小尺寸。TU Wien 固態(tài)物理研究所的 Ernst Bauer 教授的研究側(cè)重于沉積在 Si 晶片上的全赫斯勒薄膜合金，因?yàn)樗鼈兙哂邢喈?dāng)高的 PF 和 ZT 值，而且成本適中。除了熱電預(yù)期之外，薄膜還可以作為微電子等領(lǐng)域應(yīng)用的基礎(chǔ)。

迄今為止已知的最佳材料的 ZT 值介于 2.5 和 2.8 之間。TU Wien（維也納）的科學(xué)家們成功開發(fā)出 ZT 值在 5 到 6 之間的全新材料。它是一層薄薄的鐵、釩、鎢和鋁，應(yīng)用于硅晶體。這種新型高效材料可能會(huì)徹底改變傳感器電源市場，尤其是無線傳感器網(wǎng)絡(luò) (WSN) 市場。使用無電池解決方案將使尊重環(huán)境成為可能。傳感器能夠從環(huán)境來源產(chǎn)生自己的能量要聰明得多。新材料發(fā)表在《自然雜志》上。如此生產(chǎn)的材料具有緊湊且適應(yīng)性極強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

“一種好的熱電材料必須表現(xiàn)出很強(qiáng)的塞貝克效應(yīng)，它必須滿足兩個(gè)難以協(xié)調(diào)的重要要求，”維也納工業(yè)大學(xué)固體物理研究所的 Ernst Bauer 教授說?！耙环矫?，它應(yīng)該盡可能地導(dǎo)電；另一方面，它應(yīng)該盡可能低地傳輸熱量。這是一個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)殡妼?dǎo)率和熱導(dǎo)率通常密切相關(guān)（圖 2）?！?/p>

這種新材料具有立方體形狀的規(guī)則晶體結(jié)構(gòu)。兩個(gè)鐵原子之間的距離總是相同的，這同樣適用于其他類型的原子。因此，整個(gè)晶體是完全規(guī)則的。當(dāng)在硅襯底上涂上一層薄薄的鐵時(shí)，結(jié)構(gòu)發(fā)生了根本性的變化，原子以完全隨機(jī)分布的空間中心結(jié)構(gòu)組裝。這種分布改變了原子的電子結(jié)構(gòu)，從而決定了電子在網(wǎng)格中的路徑。產(chǎn)生的電荷以特定方式移動(dòng)，獲得非常低的電阻值。穿過材料的電荷部分稱為外爾費(fèi)米子。晶體結(jié)構(gòu)的不規(guī)則性抑制了網(wǎng)格的振動(dòng)。

圖 2：整個(gè)復(fù)合材料（層、界面和基板）的溫度相關(guān)塞貝克系數(shù) (a) 和電阻率 (b)，以及 Fe2V0.8W0.2Al 的薄膜值。與溫度相關(guān)的功率因數(shù) (c) 和近似品質(zhì)因數(shù) (d)。[來源：自然]

審核編輯：劉清