來源 | Small

01

背景介紹

自19世紀塞貝克、珀爾蒂埃和湯姆森效應發(fā)現(xiàn)以來，熱電材料因其在建設節(jié)能世界方面的巨大價值而引起了科學家和工程師的興趣。TE材料可以通過溫度產生電能梯度，反之亦然。雖然全球三分之二的能源消耗被浪費為熱量，但通過收集廢熱，TE設備(TEDs)可以成為提高能源效率的潛在解決方案。TEDs不需要活動部件或對環(huán)境有害的工作流體，這可以提供可擴展且環(huán)保的發(fā)電和冷卻解決方案。對這一領域日益增長的興趣和研究投資使ted在空間和其他偏遠地區(qū)的發(fā)電，汽車和工業(yè)廢熱回收以及固態(tài)溫度控制器(如汽車氣候控制，小型便攜式冷卻器，微電子熱管理等)中的廣泛應用成為可能，旨在取代基于蒸汽壓縮的機械冰箱。TED需要將n型和p型半導體材料電串聯(lián)、熱并聯(lián)連接。根據應用的不同，TED可以分為兩種主要類型——發(fā)電(TEG)設備和冷卻(TEC)設備。

02

成果掠影

近日，美國諾特丹大學Yanliang Zhang綜述了熱電材料和器件的新進展。熱電材料可以將廢熱轉化為電能或充當固態(tài)珀耳帖冷卻器，正在成為解決全球能源短缺和環(huán)境可持續(xù)性的關鍵技術。然而，發(fā)現(xiàn)具有高熱電轉換效率的材料是一個復雜而緩慢的過程。高通量材料發(fā)現(xiàn)這一新興領域顯示出其加速開發(fā)高效率和低成本新型熱電材料的潛力。高通量材料加工和表征技術與機器學習算法的協(xié)同集成可以形成一個有效的閉環(huán)過程，以生成和分析廣泛的數據集，以發(fā)現(xiàn)具有前所未有性能的新型熱電材料。同時，先進制造方法的最新發(fā)展為實現(xiàn)可擴展、低成本和節(jié)能的熱電器件制造提供了令人興奮的機會。本文綜述了利用高通量方法發(fā)現(xiàn)熱電材料的最新進展，包括加工、表征和篩選。還介紹了熱電器件的先進制造方法，以實現(xiàn)熱電材料在發(fā)電和固態(tài)冷卻方面的廣泛影響。最后，本文還對未來的研究前景和方向進行了探討。研究成果以“New Directions for Thermoelectrics: A Roadmap from High-Throughput Materials Discovery to Advanced Device Manufacturing”為題發(fā)表在《Small》。

03

圖文導讀

圖1. 不同類型的TED架構。

圖2.來自氣溶膠的HTCP。

圖3. Bi2Te2.7Se0.3的高通量發(fā)現(xiàn)與優(yōu)化。

圖4.高通量組合工藝。

圖5.a)高溫TE功率因數篩選儀的圖像，并附有塞貝克系數探頭的描述。b)三組分CoSb3-LaFe4Sb12-CeFe4Sb12組合膜的Seebeck系數等值線圖。c)部分遮擋Sb薄膜的片電阻等高線圖。d)掃描熱滲透率頻率設置示意圖。e) Si樣品的導熱系數數據。f)熱微探針的示意圖，展示了在接觸和非接觸配置下微探針尖端與樣品之間的熱傳遞路線。經許可轉載。g)定制熱探針的顯微鏡圖像。h)探頭測量原理示意圖。經許可轉載。(i) COGTAN方法的示意圖。j) BTTF的微點XRD譜圖。經許可轉載。k)使用“塞貝克測試儀”評估環(huán)境溫度下的塞貝克系數。第1部分和第2部分分別表示熱端子和冷端子，它們由k型熱電偶組成。l)用于評估電導率和塞貝克系數的測量探頭示意圖。

圖6.a)通過機器學習和經驗數據分析的循環(huán)過程進行閉環(huán)優(yōu)化的示意圖。b)奇偶圖顯示了學術來源中引用的功率因子(被認為是基礎事實)，并與最初的GPR模型的預測并列，該模型僅在文獻數據上進行了訓練。c)將實驗功率因子與使用混合數據集訓練的最終GPR模型的預測結果進行對比的奇偶圖。d)每個實驗周期產生的材料的化學組成。e)通過實驗測量確定的功率因數與探地雷達模型預測的功率因數的比較。

圖7.a) XRD數據在機器學習制作TE材料中的應用示意圖。b)由STPM制圖數據得出的BTTF COGTAN樣品的TE特征:(i)特定樣品位置的退火溫度，(ii)塞貝克系數，(iii)導熱系數，(iv)預測ZT值。

圖8.a)絲網印刷原理圖。b)功率輸出和c)電阻變化帶來的靈活性。經許可轉載。d)功率輸出;e)電阻隨彎曲的變化。

圖9.a)噴墨打印原理圖。b) Du等人的噴墨打印裝置。c) Lu等人的噴墨打印裝置[80]版權所有2014,Wiley。d)使用噴墨打印TE薄膜的塑料杯發(fā)電。

圖10.a) AJP工藝示意圖，b,c) Mortaza等人研究的AJP Bi2Te2.7Se0.3的功率因數和靈活性。d,e) Courtney等人的AJP作品。

圖11.擠出印刷TE材料。

圖12.a)擠壓打印TE微架構和微器件。b) μTEG產生的輸出功率和電壓。c)擠壓印刷的分段TED制備，分段TED, d) ZT, e)輸出功率和輸出電壓，f)最大效率和文獻對比。

圖13.Mortaza等人的高強度PLS工作。

圖14.TE材料的FSPS。

圖15.基于TE的廢熱回收裝置示例。

圖16.TE冷卻應用。

圖17.TED產業(yè)的挑戰(zhàn)與展望。