具有热能收集功能的无电池设备

研究人员开发了一种新材料，可以将热量转化为电能，效果明显优于以前的热电材料。这一发现可能是物联网的巨大福音。

基于电池的解决方案 正变得更加高效和小型化。然而，对于某些应用，例如旨在实现零能耗的物联网传感器，不可能对电池进行足够的改进。这些设备将转而依赖能量收集技术。

能量收集 是指从环境或系统本身收集为电子设备供电所需的能量的能力。对能量收集的兴趣刺激了互补技术的发展，例如超低功耗（皮瓦）微电子和超级电容器。

这就是热电材料——可以将热量转化为电能的材料——发挥作用的地方。这种前所未有的能力可用于为各种技术提供自主和可再生能源，例如传感器甚至小型计算机处理器，使它们能够从温差中产生自己的能量。越来越高效的设备的出现可以为充分利用能量收集的新解决方案铺平道路。

塞贝克效应是当材料两侧之间的温度梯度产生电压时。PN 结是热电器件 (TEG) 的基本组件，由单一结构的 P 型和 N 型热电材料组成，通过在硅中掺杂硼 (P) 和磷 (N) 等杂质实现，每个结构都串联电连接。

图 1：TEG 发生器基本上由具有两个表面的珀耳帖电池表示：热 (h) 和冷 (c)

TEG 模块本质上由许多串联的 PN 对组成。这种结构会产生与热梯度成正比的电压：从热的角度来看，PN 对平行放置。热电或 TEG 发电模块已经在许多应用中使用，这些应用收集放射性物质供应衰变释放的热量（图 1）。该过程的效率取决于器件热 (Th) 和冷 (Tc) 侧之间的温差以及热电材料的性能，用热电品质因数 ZT 表示：

其中 S、ρ 和 λ 分别是塞贝克系数、电阻率和热导率，T 是测量热电特性时的温度。所谓的ZT值衡量的是在给定的温差下所能产生的电能的多少：一种材料的ZT值越高，其热电性能越好。为了提高某种材料的热电性能，功率因数 PF = S2/ρ 必须增加，热导率 λ = λe + λph 必须降低（λe 和 λph 分别表示电子和声子贡献）。

该热过程的效率基于三个参数：塞贝克系数、电阻率和热导率。构成品质因数的这三个单独的物理属性并不是相互独立的。因此，在不恶化另一个的情况下改进一个是困难的或不可能的。λ pH值(T) 是唯一可以自由改变而不影响其他量的量。因此，提高整体效率的最有希望的方法是通过减小尺寸。TU Wien 固态物理研究所的 Ernst Bauer 教授的研究侧重于沉积在 Si 晶片上的全赫斯勒薄膜合金，因为它们具有相当高的 PF 和 ZT 值，而且成本适中。除了热电预期之外，薄膜还可以作为微电子等领域应用的基础。

迄今为止已知的最佳材料的 ZT 值介于 2.5 和 2.8 之间。TU Wien（维也纳）的科学家们成功开发出 ZT 值在 5 到 6 之间的全新材料。它是一层薄薄的铁、钒、钨和铝，应用于硅晶体。这种新型高效材料可能会彻底改变传感器电源市场，尤其是无线传感器网络 (WSN) 市场。使用无电池解决方案将使尊重环境成为可能。传感器能够从环境来源产生自己的能量要聪明得多。新材料发表在《自然杂志》上。如此生产的材料具有紧凑且适应性极强的优点。

“一种好的热电材料必须表现出很强的塞贝克效应，它必须满足两个难以协调的重要要求，”维也纳工业大学固体物理研究所的 Ernst Bauer 教授说。“一方面，它应该尽可能地导电；另一方面，它应该尽可能低地传输热量。这是一个挑战，因为电导率和热导率通常密切相关（图 2）。”

这种新材料具有立方体形状的规则晶体结构。两个铁原子之间的距离总是相同的，这同样适用于其他类型的原子。因此，整个晶体是完全规则的。当在硅衬底上涂上一层薄薄的铁时，结构发生了根本性的变化，原子以完全随机分布的空间中心结构组装。这种分布改变了原子的电子结构，从而决定了电子在网格中的路径。产生的电荷以特定方式移动，获得非常低的电阻值。穿过材料的电荷部分称为外尔费米子。晶体结构的不规则性抑制了网格的振动。

图 2：整个复合材料（层、界面和基板）的温度相关塞贝克系数 (a) 和电阻率 (b)，以及 Fe2V0.8W0.2Al 的薄膜值。与温度相关的功率因数 (c) 和近似品质因数 (d)。[来源：自然]

审核编辑：刘清