用于低能耗能量收集的金屬氧化物橫向熱電器件

【引言】

熱電材料能夠實現熱能和電能之間的相互轉化，利用溫度差進行發電是一種潛在的能源利用的方法，另外利用電學對熱量的轉化，可以進行溫度的控制，在傳感器和集成電路中有著廣闊的應用前景。TEG是一種半導體溫差發電器，利用溫差產生電能，具有無運動部件、穩定性高、綠色無污染等優點。它可以根據不同的應用條件，制成各種形狀，隨著無線傳感網絡在各種應用領域的飛速發展，TEG作為自供電傳感器的電源，顯示出了*的應用價值。近年來，TEG的研究致力于開發高優值系數的薄膜熱電材料，來獲得更大的溫差，得到更高的輸出電壓和功率密度，發揮這種材料的優勢。

【成果介紹】

Christian Dreßler等人發表了一篇題為“Transversal Oxide-Metal Thermoelectric Device for Low-Power Energy Harvesting”的文章。Christian Dreßler等人考慮到無量綱優值系數，首先對雙支、單支和橫向氧化物熱電收集器件的概念進行了比較。分析表明，橫向熱電效應的應用無法顯著降低利用熱電氧化物的熱電器件的預期輸出功率密度。同時，橫向器件配置比一般的雙支配置更簡單。制備了由La1.97Sr0.03CuO4/Ag傾斜層疊組成的橫向溫差收集器，并對其進行詳細分析。使用有限元方法進行模擬來驗證結果。基于這些數據，金屬氧化物橫向器件的功率密度預計是在目前公布的關于氧化物雙腿器件的數據范圍內，因此可作為低能耗應用的能量收集。同時，考慮到大規模生產所需的條件，橫向器件具有明顯的優勢。

【圖文導讀】

圖一：層疊方案：（a）雙支熱電器件，（b）單支熱電器件，（c）橫向熱電器件；

ΔT–溫度梯度；ΔU–壓降；P–p型熱電氧化物；N–n型熱電氧化物；i–隔離器；m–金屬。

圖二：關于由交替疊層材料構成的橫向熱電偶的理論描述坐標系定義的圖解。

圖三：用La_1.97Sr_0.03CuO₄和銀制成的橫向熱電器件。

圖四：負載（R_TTD=R_LOAD）和ΔT=37.4 K時的二維模擬結果。（a）溫度分布，（b）電壓分布（彩圖）和電流流線，（c）同（b）但只含有用的電流流線。

圖五：La_1.97Sr_0.03CuO₄ 的輸運特性：賽貝克系數S（黑色），導熱系數λ（紅色）和電阻率ρ（藍色）與溫度的關系如圖所示。

圖六：電氣性與TTD的溫度差：（a）開路電壓U_oc，（b） 短路電流I_sc，（c）電阻率RTTD和（d）電力PTTD。

圖七：橫向熱電器件的熱電性無量綱優值系數與溫度的關系

文獻：

Dreßler C, Bochmann A, Schulz T, et al. Transversal Oxide-Metal Thermoelectric Device for Low-Power Energy Harvesting[J]. Energy Harvesting & Systems, 2015, 2(1):25.