昆士兰科技大学陈志刚课题组Chemical Society Reviews：基于集成电子器件的柔性热电的研究进展

【引言】

随着能源需求的不断增加以及传统燃料消耗所引发的气候变化等挑战，迫切需要发展绿色和可持续的能源转换与存储技术。将柔性热电技术与其他各种能源转换技术相结合，发挥了至关重要的作用，使得温差、太阳能、机械力和湿度等多种形式的能量转化为电能成为可能。这些技术的发展为可持续能源解决方案奠定了基础，并推动了能源转换领域的研究进展。

【成果简介】

鉴于这一领域的复杂性和快速发展，昆士兰科技大学史晓磊研究员和陈志刚教授获得Chemical Society Reviews邀请发表了长篇综述论文，系统地总结了基于柔性热电转换的多功能集成能源转换与存储技术的进展。重点关注的是提高材料性能、优化集成器件结构设计以及实现器件的柔性化，以扩大其应用场景，特别是可穿戴能源转换技术的集成化和多功能化。此外，本文还讨论了当前的发展瓶颈和未来的发展方向，以促进该领域的持续进步。

【图文导读】

要点1：基于柔性热电转换的多功能集成能源转换与存储技术的介绍

图1. (a) 示意图展示了基于自供电物联网 (IoT) 设备的各种能量收集技术，以及其组件的基本架构和能量转换原理。(b) 各种能量收集技术所能达到的功率密度范围。(c) 各种能量收集技术相关出版物数量随时间变化的趋势。(d-e) 自2010年以来不同热电材料系统的热电性能（通过最大ZT值，ZT_max评估）的比较和趋势，包括p型和n型热电材料。

要点2：热电材料和器件的基本原理

图2. (a) 示意图展示了基于刚性块体材料的热电器件（TED）的基本结构。(b) 示意图展示了基于有机材料（DPP）的柔性TED的结构。示意图展示了基于由一对p-n热电臂组成的基本TED单元的(c) 热电发电和(d) 热电制冷原理。

要点3：热电器件的基本结构

图3. (a) 垂直结构。(b) 横向结构。(c) 混合结构。(d) 折叠结构。(e) 环状结构。(f) 径向结构。

要点4：基于薄膜和纤维的柔性热电器件（F-TEDs）的性能

图4. 在过去5年中，实现了超过1 µW cm⁻² K⁻²的归一化功率密度 (ω_n)的基于薄膜和纤维的柔性热电器件（F-TEDs）的总结。

要点5：便携式/可穿戴电子设备的功率需求

图5. 便携式/可穿戴电子设备的功率需求总结对比。

要点6：由柔性热电和便携/可穿戴电子设备组成的集成系统

图6. (a) 采用蘑菇状结构单元的柔性热电发电机 (F-TEG) 示意图，该系统连接到直流电压升压转换器 (ANALOG DEVICES LTC3108)，利用人体热与环境温差 (ΔT) 在无外部散热器的情况下实现高功率密度的热电发电。(b) 可编织的热电发电机 (W-TEG) 放置在前臂上为超级电容器充电的示意图，以及已充电超级电容器为计步器、LED 阵列和温湿度传感器供电的光学图像。(c) 由 F-TEG 驱动实现高性能自供电无线传感的无线传感节点示意设计。(d) 用于户外测量的自供电无线传感节点的照片。(e) 触摸式信息交互系统的系统图和操作原理，利用体热驱动的 F-TEG用于食品变质监控。

要点7：基于可穿戴柔性热电技术的个人健康管理系统

图7. (a) 利用 F-TEG 发电的自供电可穿戴心电图 (ECG) 系统的示意图。PMIC 由电压升压器和稳压器电路组成。(b) ECG 的工作系统图。(c) 多模式热电皮肤及其功能组件的概述，包括双模式热电皮肤切换（能量收集模式和温度调节模式）（上），热电皮肤及构成整个系统的材料（左下），电流方向与温度调节模式（冷却/加热）之间关系的示意图（中下），以及附在胸部的热电皮肤的实际照片（右下）。插图显示了设备在应变和弯曲条件下的表现。

要点8：聚光型太阳能热电系统

图8. (a) 聚光型太阳能 TEG 的概念和案例研究。该集成系统利用聚光组件获得较大的温差，并利用热电材料上的大温差发电。关键组件包括光谱选择性接收器和分段式热电器件，以最大化效率。(b) 太阳能 TEG 的典型组件及其优化参数，包括聚光器、吸收器、TEG 和散热器。(c) 集中光束撞击辐射结构 F-TEG 中心并产生温度梯度的示意图。(d) 鱼鳞形 F-TEG 的示意图。黑色薄膜代表太阳能吸收器，其下是合理处理的性能优化的 PEDT薄膜。(e) 可穿戴太阳能 TEG 的示意图，集成了Cs_0.32WO₃光热薄膜和热电组件。

要点9：柔性太阳能 TEG的新型设计

图9. (a) 螺旋形太阳能热电条带的工作原理和结构。(b) 由螺旋形太阳能热电条带组成的柔性器件制造过程的示意图。

要点10：各种光热能量吸收与转换和存储系统的设计

图10. (a) 集成的太阳能到氢电和热能存储系统（STHET）的结构的俯视图（左）和侧视图（右）。(b) 示意图说明了基于 PCC 海绵的光热水蒸发和热电发电过程之间的协同界面。PCC 海绵通过将基于碳纳米管/纤维素纳米晶体（CNT/CNC）溶液涂覆在 PDMS 海绵上制备而成。(c) 示意图描述了装饰有 MnO₂ 的棉布（MC_x）在太阳能驱动的蒸汽生成和热电发电中的应用。

要点11：柔性光伏-热电（PV-TE）复合系统

图11. (a) 可穿戴有机 PV-TE（OPV-TE）混合发电机的各种组件的照片，旨在最小化 OPV 模块的 V_oc 损失。(b) OPV 和 TE 模块之间界面的横截面扫描电子显微镜（SEM）图像，以及示意图说明了电荷载流子的流动。(c) OPV-TE 混合发电机在经过 1000 次弯曲循环后的电阻变化（ΔR/R₀），其值小于 1%。(d) OPV-TE 混合发电机在白天佩戴在前臂上 30 分钟的性能变化。

要点12：由柔性热电和电池组成的集成系统

图12. (a) 使用热电/空气冷却模块的电池组热管理系统的示意图。(b) 由 TEG 和电池组成的自充电可穿戴设备的示意图，用于连续健康监测。可穿戴 TEG（WTEG）在不同时间间隔显示出不同的电力供应。(c) 指尖血糖测试与连续血糖监测的比较。(d) WTEG 和锂硫电池的示意图。(e) WTEG 作为能量储存设备储存的电力足以操作传感器。WTEG + 电池集成系统的协同集成实现了近场通信（NFC）血糖传感器的连续供电，以便进行连续监测。

要点13：由柔性热电和湿度发电组成的集成系统

图13. (a) 2019年全球废蒸汽分布。(b) 全球废蒸汽的主要利用方式。(c) 用于高效利用废蒸汽能量的集成湿度-热电发生器的制备过程和工作原理。通过紫外光下的共聚反应合成了由聚(2-丙烯酰胺-2-甲基丙烯酸)和聚(钠苯乙烯磺酸) (PAMPS/PSSS)交联共聚物组成的聚电解质膜。然后，将该聚合物电解质膜夹在涂有CNT的碳布之间，构建一个柔性湿度-热电发生器。该设备通过在湿热协同系统中Na⁺和H⁺的解离和扩散产生电力。其在实际应用中的潜力，包括集成到面罩和蒸汽喷嘴中，具有重要意义。

要点14：功能性水凝胶作为柔性热电的复合技术

图14. (a) 太阳能热电-淡水共发电器的示意图，包括一个热电发生器 (TEG) 和一个通过富含羟基的可溶性淀粉（淀粉-聚丙烯酰胺，S-PAM）微修饰的聚丙烯酰胺水凝胶。(b) 示意图表示一种大气湿气吸收的还原氧化石墨烯 (rGO)/离子凝胶 (RIG) ，具有动态稳定的冷却界面，能够持续增强热电器件的性能。(c) 自湿化水凝胶的变色原理，作为冷却器以提高热电等电子产品的能量转换效率并动态指示冷却速率。

要点15：由柔性热电和功能性水凝胶组成的集成系统

图15. (a) 热电皮肤的基本概念和基础设计。这里，Li-PAAm 指的是富锂和溴的聚丙烯酰胺水凝胶复合材料。(b) 柔性热电皮肤的照片及内部结构。(c) 基于热电层和汗腺层的温度调节机制示意图。(d) 热电皮肤在各种环境中的温度调节机制示意图。

要点16：摩擦电-热电复合系统

图16. (a) 集成的摩擦电-热电混合发电机场景示意图，展示了从热气流中收集能量以自供电风速和温度传感器的应用，实现在工业厂房环境中对热浪的多能量收集和多参数检测。(b) 基于织物的可穿戴摩擦电-热电混合能量收集器的基本结构，设计用于从体动中收集摩擦力和体热，实现混合模式的发电。(c) 展示为人类活动优化的摩擦-热电混合发电机的合理设计的概念图。

要点17：柔性压电-热电复合系统

图17. (a) 描述压电-热电混合发电机制造过程的示意图。(b) 用于电子皮肤应用的4 × 4柔性压电-热电双模触觉传感器阵列的结构图。(c) 附在手上的双模传感器阵列的照片，以及单个传感器的放大图像和折叠以展示其柔性的设备照片。(d) 动态压电-热电发电机的示意图，展示了废热驱动的动态压电发电机（左）和热电发电机（右）的机制。(e) 基于Bi₂Te₃的多级环形热电发电机的概念和柔性环形热电发电机模块的照片。

要点18：柔性热电-铁电复合系统

图18. (a) 制备Sb₂Te₃薄膜的示意图，该薄膜生长在商业Pb(Zr_0.54Ti_0.46)O₃（PZT）陶瓷片上，采用磁控溅射、退火和极化工艺。(b) 薄膜在PZT上的横截面扫描电子显微镜（SEM）图像。(c) 薄膜样品极化的示意图，左侧表示正极化（Pr⁺）状态，右侧表示负极化（Pr⁻）状态。(d) 制备PVDF/BST复合薄膜的示意图，这里NMP指N-甲基吡咯烷酮。(e) 复合薄膜的纳米结构示意图。(f) 附在手腕上的柔性发电机的照片。

要点19：快速双向刚度调节的变革性电子系统（TES）

图19. (a) TES的关键设计概念图，支持快速在刚性手持电子设备和柔性可穿戴传感器之间进行双向转换。平台由镓构建，依赖于温度依赖的相变，通过与石墨烯和柔性热电发电机（F-TED）的界面增强加速模式切换。(b) 示意图说明了液态镓在固化过程中的自由能变化（ΔG）。集成的石墨烯促进的异质成核减少了启动固化所需的能量，使镓更快地从液态转变为固态。(c) 聚合物包裹的液态镓样品的光学图像以及在相变过程中捕获的红外（IR）图像，直观确认了石墨烯加速镓成核的能力。左图中的蓝色阴影框表示石墨烯涂层镓的位置。(d) 液态镓在熔化过程中及(e) 冻结过程中的红外图像，分别为复合和不复合F-TED的情况。两张图像都表明，F-TED显著缩短了镓的熔化和冻结过渡时间。

要点20：柔性热电驱动器

图20. （a）展示了在变形下的可伸缩半导体软材料热电驱动器（TED）图像（左上），突显了通过3D打印形成的液态金属（LM）和中央层；液晶弹性体（LCE）形状记忆聚合物对热的响应（左下）；以及在驱动过程中，右侧LCE-TED软肢加热，左侧冷却。插图显示了LCE层下的LM和半导体的痕迹。（b）图像突出显示了使用单一输入源来改变半导体上的电流方向并反转驱动方向。（c）图像展示了LCE-TED驱动器远离电源的初始和最终位置。（d）图像显示了LCE肢体在跟踪热源和增加收集电压方面的物理智能。（e）目标机器人肢体姿态，指定为偏转角度，通过计算机视觉系统进行测量。

要点21：应变-温度双传感系统

图21. （a）示意图展示了基于应变-温度双传感系统的电子皮肤的制造过程，以及（b）其潜在应用。系统级块图展示了（c）电子皮肤信号采集系统和（d）机器人手上的温度传感系统。（e）照片展示了通过手势从“五”到“一”控制机器人手的情况以及每个手指的信号响应。（f）基于Cu₂₅As₃₅Se₆Te₃₄-聚四氟乙烯（CAST-PTFE）薄膜的温度传感系统的示意图。（g）手与热物体和冷物体接触时五个手指的输出电压。

【总结】

随着新能源转换和存储技术的迅速发展，以及人们生活需求的不断增加，对设计和构建集成化能源转换和存储系统的兴趣日益增长。这些集成系统可以同时捕获和储存来自多种自然来源的能源。在工业领域和可穿戴电子设备（如电子皮肤）等领域，已通过将热电技术，尤其是柔性热电技术与其他形式的能源转换和存储设备进行集成取得了显著进展。这些前沿技术将热电能量转换与其他能源转换技术（如太阳能电池、机械发电机和湿能发电机）结合，并配备了如充电电池和超级电容器等储能设备，展示了多样的应用场景和巨大的潜力。此外，我们指出了该交叉研究领域所面临的挑战，并展望了未来的发展方向。

图15. 基于柔性热电技术的复合能源转换系统的挑战的展望

【主要作者简介】

史晓磊博士，澳大利亚研究理事会（ARC）优秀青年基金获得者（DECRA Fellow），昆士兰科技大学研究员，博士生导师，同时担任澳大利亚碳中和零排放发电中心助理。2019年博士毕业于澳大利亚昆士兰大学，为2015年度澳大利亚IPRS国家奖学金以及2018年度国家优秀自费留学生奖学金获得者。长期致力于高性能热电材料与器件的研究，目前作为主要负责人承担ARC Discovery Project一项，ARC Linkage Project三项，ARC Research Hub一项，以及QUT ECRIS 2023等多个科研项目，总计1220余万澳元。在澳大利亚共指导12名博士研究生，9名硕士研究生，以及2名访问学者。连续三年为全球Top 2%顶尖科学家（2021-2023，Elsevier BV），共发表学术论文193篇（影响因子10以上111篇），著作章节1篇，发明专利4项，其中以第（共）一及通讯作者身份在高水平国际学术期刊上发表论文96篇（包括1 in Nat. Sustain., 3 in Nat. Commun., 1 in Chem. Rev., 1 in Chem. Soc. Rev.,  3 in Prog. Mater. Sci., 1 in Mat. Sci. Eng. R, 1 in Joule, 1 in Adv. Mater., 2 in Energy Environ. Sci., 7 in Adv. Funct. Mater., 9 in Adv. Energy Mater., 2 in ACS Nano, 5 in Nano Energy, 2 in Energy Storage Mater., 1 in Adv. Sci., 1 in Appl. Phys. Rev., and 9 in Chem. Eng. J.），其中24篇被选为ESI高被引论文（前1%），2篇被选为Hot Paper（前1‰）。这些论文被Google Scholar引用11800余次，H-index达到58（i10-index 达到143）。史晓磊博士目前已在国际及区域等重要会议中做口头报告15 次，并获邀进行学术报告5 次。

个人主页：https://www.qut.edu.au/about/our-people/academic-profiles/xiaolei.shi.

陈志刚教授，澳大利亚碳中和零排放发电中心创始主任，昆士兰科技大学能源学科讲席教授，物理与化学学院Academic Research Lead, 博士生导师，昆士兰大学和南昆士兰大学荣誉教授。长期从事功能材料在能量转化的基础和应用研究。2008年博士毕业，师从成会明院士和逯高清院士。博士毕业后前往澳大利亚昆士兰大学机械与矿业学院工作，先后担任研究员，高级研究员，荣誉副教授，荣誉教授，后转入南昆士兰大学担任副教授（2016）和教授（2018）。于2021年加盟昆士兰科技大学，担任能源学科讲席教授。先后主持澳大利亚研究委员会、澳大利亚科学院、州政府、工业项目等共计四千万澳元的科研项目。共指导20名博士生和29名硕士研究生，其中已毕业博士生17名和硕士生30名。在Nat. Energy、Nat. Nanotech.、 Nat. Sustainability.、Chem. Rev. 、Prog. Mater. Sci.、 Adv. Mater.、 J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. In. Ed. 等国际学术期刊上发表440余篇学术论文, 被Scopus引用34000余次，H-index达100（https://www.scopus.com/authid/detail.uri?authorId=57188708630），是科睿唯安“高被引科学家” （2019-2022）和全球Top2%科学家（2019-2023，Elsevier BV）。国际知名期刊Journal of Materials Science and Technology副编辑，国际期刊Materials Today Energy, Energy Materials Advances, Progress in Natural Science, Journal of Advanced Ceramics, Rare Metals, Microstructures，EcoEnergy等编委。
个人主页：https://www.qut.edu.au/about/our-people/academic-profiles/zhigang.chen.

澳大利亚昆士兰科技大学（世界Top200）陈志刚热电材料与器件课题组招收博士研究生和博士后

博士研究生申报条件：
学科背景为材料科学，物理学，化学与化学工程；
目前已经取得和将要取得硕士学位且GPA大于 6/7；
英语符合学校要求（TOFEL iBT 79，写21，说18，听读16；或 IELTS Academic 6.5，单项6.0；支持PTE总分58，单项50；详情见https://www.qut.edu.au/research/study-with-us/how-to-apply）
发表过至少一篇论文，热电材料、器件或应用方向的优先考虑

研究方向：
高性能块体热电材料和器件；
柔性热电材料和器件；
热电材料和器件计算模拟，如DFT等。

奖学金种类：
 项目经费直接支持的奖学金（5~6个名额）；
 国家公派奖学金CSC；
澳大利亚国家奖学金；
昆士兰科技大学奖学金。

博士后研究员研究方向：
高性能块体热电材料和器件；
柔性热电材料和器件；
热电材料和器件计算模拟，如DFT等。

学校简介：
澳大利亚昆士兰科技大学（简称QUT）是世界知名公立综合大学，位于澳大利亚第三大城市布里斯班，以“现实世界的大学”为办学特色，注重培养拥有国际化视野并注重培养切合社会发展需求的毕业生。目前共有在校学生约5万名， 学校设有Gardens Point和Kelvin Grove两个校区。QUT在2021年《QS世界新兴大学排名》中居全球第17位，2024年《泰晤士高等教育世界大学综合排名》全球前200位。QUT有九大学科领域在2021年《QS世界大学学科排名》中位列世界前100名。QUT共计培养了八名罗德学者。罗德学者奖学金（也被称为“本科生诺贝尔奖”）是世界上最负盛名的奖学金项目之一，该奖学金已培养了40多位国家领导人、多位跨国企业董事长以及十多位诺贝尔奖得主。其主校区位于布里斯班市中心，布里斯班是澳大利亚第三大城市，也是昆士兰州的首府。这里气候宜人，居民热情好客，一年中逾300天阳光明媚，年平均气温21°C左右，被评为全球最宜居城市之一，QS留学城市全球排名前20位，并将主办2032年夏季奥运会。