柔性热电薄膜器件的研究进展

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaOct．252014V01．35No．102733—2746ISSN1000—6893CN11．1929／Vhttp：／／hkxb．buaaeduCRhkxb@buaa．educn柔性热电薄膜器件的研究进展邓元*，张义政，王瑶，高洪利北京航空航天大学材料科学与工程学院，北京100191摘要：针对柔性热电薄膜器件的最新研究进展，从柔性基底、热电材料、薄膜沉积工艺、过渡层的引入和器件设计等几个方面归纳总结了在热电器件制作过程中材料和工艺选择方面应注意的问题。对各类柔性热电薄膜器件的性能对比

2、分析表明：目前性能最佳的柔性器件采用的材料是(Bi，Sb)。Te。类合金，其单个热电偶对在lK的温差下可输出0．1～0．3mV的电压；在内阻足够低的条件下，单个热电偶对在1K温差下的输出电压与热电材料的Seebeck系数相等；增加热电薄膜的厚度能够有效地降低热电偶对的内阻，进而提高器件的输出电压。关键词：柔性；热电；薄膜；器件；输出电压中图分类号：V45；TB34文献标识码：A文章编号：1000—6893(2014)10—273314能源是人类社会存在和发展的物质基础。传统能源资源储量有限，而且在燃烧过程中会对全球环境产生有害影响。不容忽视的是，人们对能源的利用

3、很不充分，有相当一部分能量(大约66％)以热量的形式散失在大气中[1。2]。因此，开发和利用清洁、高效、经济的新能源与废弃能量的再循环利用是社会发展进步的必然趋势。近十几年来，热电发电器件作为废弃能量再循环利用的代表已逐渐成为全球新能源材料领域研究的热点。事实上，早在20世纪60年代热电发电器件就已经被应用于航空航天领域。1961年6月，美国海军装有放射性同位素热电供能系统(SNAP3A)的卫星TRANSIT4A发射成功，能源系统运转正常，这标志着热电供能系统首次被用于航天领域口j。目前，热电发电器件的研究重点正朝着实用性、耐用性和可靠性的方向发展。近几年，柔性

4、热电薄膜器件因成本低、抗弯折、耐用性强、适用范围广等特点而引起了科研人员的注意，具有极广阔的应用前景[4]。热电效应是指由温差引起的电效应和电流引起的可逆热效应的总称。利用热电效应制成的器件称为热电器件。热电器件微型化和柔性化的趋势推动了柔性热电薄膜器件研究的进程。本文归纳总结了国内外相关领域最新科研成果，从柔性基底、热电材料、薄膜制备工艺、引入过渡层以及器件设计5个方面总结了柔性热电薄膜器件中材料、结构、工艺与性能关系，提出了未来该领域研究发展的方向。21世纪初，国内虽然在热电制冷现象和应用研究方面已具有一定水平，而且已有商品器件和设备出售，但对热电发电的研究

5、还几乎是一片空白[5]。直到2012年，国内在热电薄膜材料和器件研究方面仍处于起步阶段[6j。收稿日期：2014—04—16；退修日期：2014—06·09：录用日期：2014-07-08；网络出版时间：2014-07-1220：11网络出版地址：WWWcnkinet／kcms／detail／107527／81000-6893．20140152htmI基金项目：国家自然科学基金(51172008)*通讯作者Tel：010-82313482E-mail：dengyuan@buaa．eduCR引用格武：DengV．ZhangYZ．WangY．etalResearch

6、progressontheflexiblethin-filmthermoelectricdevices[J9．ActaAeronauticaetAstronauticaSinice，2014．35(10)：2733-2746邓元．张义攻．I瑶．等．柔性热电薄骥器件的研究遗辰LJj．航空学报．2014，35(10)：2733—2746．航空学报Oct252014VoI35No101热电学的相关理论1．1热电效应热电效应是指由温差引起的电效应和电流引起的可逆热效应的总称，包括Seebeck效应、Pelt—ier效应和Thomson效应。德国物理学家赛贝克于1821年

7、发现了金属的Seebeck效应，这为热电器件的发展奠定了基础。随着后来Peltier效应和Thomson效应相继被发现，热电发电器件和制冷器件被广泛应用于航空、航天、航海以及废热发电等诸多领域[7_8]。1．2热电性能20世纪初，德国的Altenkirch研究得出材料的热电性能与Seebeck系数、电导率和热导率有关，可用热电优值ZT=a2aT／tc这一无量纲量进行描述[9。1⋯。其中：z为热电品质因子；T为热力学温度；口为材料的Seebeck系数；盯为材料的电导率；tO为材料的热导率。热电品质因子Z由电学性能和热学性能两部分组成，其中的电学性能部分a2盯称为热

8、电材料的“功率因子”。性