碲化铋基柔性热电器件研究进展

顾晓凤1,戈镇洲1,舒元春1,彭德权1,陈金伟2 （1.四川攀西碲铋产业技术研究院有限责任公司/四川省碲铋产业技术研究院； 2.四川大学材料科学与工程学院）

摘要：碲化铋基柔性热电器件具有体积小、质量轻、可变形、可弯折的特点，能够实现高密度阵列集成，契合未来电子信息领域对高性能、微型化、低功耗器件的发展需求。该种器件适用于复杂几何结构和不规则曲率变化的表面，能够满足物联网、可穿戴设备、微电子芯片行业对微能源供应、小空间快速制冷、个人热量管理的需求。综述了近年来碲化铋基柔性热电器件研究进展和存在的问题，并对其未来的发展方向进行了展望。虽然碲化铋基柔性热电器件的研究取得了一定的进展，但整体上仍处于实验室阶段，实现大规模商用应用还有一段距离，今后应侧重于输出功率的提升、穿戴舒适性和美观性、服役稳定性和使用寿命，以及降低制造难度方面的研究。碲化铋基柔性热电器件主要分为块体型、薄膜型和纺织物型3大类型。块体型器件的输出功率一般可达1×10−5W·cm−2，但其柔韧性和穿戴舒适性不足，可通过提高碲化铋基热电材料本身的ZT 值、优化负载电阻、选择热导率低的封装材料，以及合理设计封装元件尺寸和热电臂的形状、数目和连接方式等方法来持续提高其热电性能，可通过开发柔韧性更高、甚至具备自愈能力的封装材料和连接材料来提升其柔韧性和穿戴舒适性。薄膜型器件的输出功率一般在1×10−6—1×10−9 W·cm−2 之间，还达不到实际应用需求，通过提升碲化铋基薄膜制备技术并优化工艺参数来提高薄膜本身热电性能，开发热稳定性、电阻率、导热系数更优的热电界面材料，从而降低接触热阻导致的界面热损失，提高输出功率和转换效率，通过选择柔韧性和机械稳定性更高的基底材料来其使用寿命。纺织物型器件具有较好的拉伸、弯曲和剪切性能，能满足穿戴的舒适性要求，但热电性能较差，输出功率也普遍在1×10−6—1×10−9W·cm−2之间，且稳定性不足，可通过改进涂印和浸渍工艺来提高纱线表面碲化铋基热电材料的均匀性，创新热电纱线组装的结构以在织物厚度方向上更好地建立温差，从而提高其热电性能。本研究为碲化铋基柔性热电器件的应用提供了理论参考。

关键词：碲化铋；柔性；热电；器件；块体型；薄膜型；纺织物型；性能