华南理工大学马於光教授、蒋庆林研究员等《Adv. Mater.》综述：可穿戴热电材料与器件应用于自供电系统

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随着人工智能和物联网应用于智能服装的新趋势，可穿戴和免维护的电源需求日益增长。现代集成电路不断向低工作电压和低功耗的方向发展，以体温为动力的器件终于成为可能。在这一背景下，可穿戴热电发电机（WTEG）已成为有效将体热转化为电能以驱动可穿戴设备的有前途的候选设备。在过去20年热电材料性能快速提升的推动下，WTEG逐渐变得更加灵活和可拉伸，从而可以用于复杂和动态表面。然而，迄今为止，科学界还缺少对WTEG从材料到加工以及最终与可穿戴电子设备的集成进行全面总结。

华南理工大学马於光教授、蒋庆林专职研究员和瑞典林雪平大学Simone Fabiano教授在《Advanced Materials》期刊上发表了题为“Wearable Thermoelectric Materials and Devices for Self-Powered Electronic Systems”的综述文章（DOI: 10.1002/adma.202102990）。在文章中，作者提供了从材料设计到最终器件应用的全面综述。该综述旨在:(1)激发高效热电材料的设计/开发、界面工程和集成技术的新研究。(2)推动基于热电模块的新一代自供电电子器件开发，包括混合能量采集、一体化能量采集与存储器件、多参数传感器等。该文章将吸引热电材料和设备、自供电可穿戴电子设备、能源转换和储存等研究领域人员的广泛关注。

图1 文章的整体框架和思路

 

图2基于人体热量收集的热电发电机的原理。首先介绍热电材料的原理和基本参数。然后介绍了热电器件的基本组成、结构、工作流程及输出功率性能。最后分析了人体作为热源的可行性和有效性。

 

图3 热电材料及其加工策略。总结了热电材料和器件在室温下实现高性能的发展历程。介绍了经典且发展成熟的碲化铋、聚(3,4-乙撑二氧噻吩)、碳纳米管等典型的高性能热电材料。然后，回顾了可穿戴热电器件的发展历程。为了更好地将器件与复杂和动态的热表面结合起来，热电器件从基于无机刚性、有机聚合物基底逐渐发展为织物基和自支撑型器件。最后，提出了提高起输出功率的三种主要策略：增加温差，开发组装热电模块的方法以及优化器件界面热、电传输。

 

图4基于热电发电机的一体化自供电设备。介绍了下一代可穿戴设备，该设备将包含多种电子元件，如用于能量收集、存储和传感的元件。可穿戴式热电模块是一种理想的有前途的候选组件。一方面，热电材料是一种固有的温度传感器，可以根据其输出的电压信号作为压力、应变传感器甚至多参数传感器。另一方面，基于混合能源的热电发电设备在提供足够的电力供应方面受到了关注，例如基于太阳能和机械能增益的热电发电机。

图5热电材料及其器件所面临的挑战。目前对热电器件的研究主要集中在以下两个方面，以实现高功率输出:1)开发高性能的热电材料，2)优化器件结构。然而在高性能热电器件的发展甚至应用过程面临的几个挑战，例如有机热电材料相关理论的建议与发展，热电器件中涉及的电流方向问题以及薄膜热电器件中热传输的问题等。

图6未来展望。热电材料及器件的发展主要包含以下两方面：一方面，寻找新的材料体系，并建立明确的构效关系是开发高性能材料的关键。另一方面，在器件设计过程中的界面问题、热电传输问题以及器件性能的统一评价标准仍是可穿戴热电器件发展的关键问题。

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https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202102990

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