使用有机半导体的薄膜热电发电机提供了一种从体热发电的有前景的方法

首尔国立大学工程学院的研究人员开发出一种灵活且超薄的“伪横向热电发电机”，能够利用人体体温产生电力。他们的研究成果发表在《科学进展》上。

软体可穿戴电子设备的快速进步增加了对自供电技术的需求，这些技术需要持续从周围环境中收集能量。热电发电机（TEGs）通过利用人体产生的恒定热梯度来向设备提供直流电，提供了一种解决方案，即使没有机械运动也能实现。

相比于基于更笨重的无机化合物的热电发电机，使用有机半导体的薄膜热电发电机因其重量轻、低毒性、成本效益高和易于制造而展现出巨大的前景。此外，它们超薄且灵活的特性允许完美贴合人体皮肤等弯曲表面，最大限度地减少热源与设备之间的热阻。

然而，这种超薄结构也存在一个局限性。热电发电机需要热端和冷端之间存在温差才能发电。当这种设备平贴在皮肤上时，体热会直接穿过薄膜并消散到周围的空气中——就像热量穿过一张纸一样。因此，设备两侧几乎没有形成温差，使得发电变得困难。

以往的研究曾试图通过弯曲设备或构建三维柱状结构来解决这个问题。然而，这些方法增加了厚度和体积，破坏了超薄柔性薄膜设备的优势。

为了解决这一挑战，Kwak（阔）团队提出了一种从根本上改变热流方向的新方法。他们通过在可拉伸硅胶（PDMS）基板的特定区域掺入导热铜纳米颗粒，成功设计出一种“双热导率基板”，在单个基板内创建了高热导率和低热导率的区域。

当热电半导体放置在这些区域的边界时，来自皮肤的热量不会垂直逸出，而是沿着高热导率区域横向流动。结果，基板表面形成了相对温暖和凉爽的区域，从而产生了温差，使得即使在薄膜结构中也能实现发电。

通过这种方法，该研究首次证明了通过引导热流的新基板结构，可以在薄膜中维持温差并发电。研究团队将这项技术命名为“伪横向热电发电机”，因为它从结构上模拟了传统的横向热电效应。

这款已开发的可穿戴热电发电机即使在完全平坦的配置下也能将体热转化为电力，无需弯曲或结构变形。它采用基于油墨的印刷工艺制造，确保了高灵活性。此外，该设备具有可扩展性，允许其尺寸和形状自由设计并轻松扩展，类似于组装模块化积木。

这些特性有望使伪横向可穿戴热电发电机作为一种自供电能源技术被广泛用于各种设备，包括智能服装、健康监测传感器和可穿戴电子设备。

领导这项工作的电气与计算机工程系教授Jeonghun Kwak（权正垣）表示：“这项研究通过一种控制热流的全新结构方法，解决了传统超薄可穿戴热电发电机的局限性，”他补充道，“其意义尤其在于展示了一种能够维持完全平面结构的同时产生温差的新型热电平台。”

他接着说：“这项技术作为电源具有巨大的潜力，可用于各种可附着在皮肤或衣物上的传感器和电子设备。”

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