热电发电机越来越受到研发关注

    热电发电机 (TEG) 利用热量（或更准确地说，温差）和众所周知的塞贝克效应来发电。它们的应用范围从收集可用热能，尤其是在工业和其他情况下“浪费”的热能，到在放射性同位素热发电机 (RTG) 中使用航天器的放射性电源作为热电能转换器。
    基于 TEG 的 RTG 使用钚 238 的自然衰变热。自 1961 年以来，它们几乎被用于每太空任务（见参考资料）以及远程地球应用。与太空中高度可见、外观干净、经常令人眼花缭乱的太阳能电池板相比，它们并没有引起太多关注，但现实是，太阳能电池板本身无法提供足够的电力，即使对于许多轨道运行或靠近-地球任务。电化学电池的选择是行不通的，因为它们在极冷的太空中不起作用，如果没有太阳能加热效应，太空的温度约为 2.7 K。
    与大多数能量收集换能器和装置一样，TEG 原则上似乎是个好主意，因为您几乎不花一分钱就能得到一些有价值的东西。然而，在实践中，它们有几个缺点：它们相对难以制造（尤其是批量生产），而且效率低下（大约 10%）。这个效率数字虽然很低，但在热量会被浪费或没有其他可行选择的情况下通常是可以接受的。
    我们通常将塞贝克效应与双金属结热电偶和温度测量联系起来，而不是与能量捕获联系起来。事实上，许多热回收 TEG 设备使用由碲化铋 (Bi 2 Te 3 )、碲化铅 (PbTe)、氧化钙锰 (Ca 2 Mn 3 O 8 ) 以及其他材料制成的高掺杂半导体，具体取决于应用和温度。
    TEG 的另一个问题是它们难以大量生产并且难以廉价生产。正如两个截然不同的项目清楚地表明的那样，这些缺点也促使研究人员了解在他们的材料和生产过程中可以进行哪些增强或改进。
    项目一

    圣母大学（印第安纳州）的研究人员领导的一个团队解决了 TEG 通常缺乏高通量处理方法的问题，因此他们开发了一种更快的方法来创建高性能设备。他们使用机器学习技术来优化快速烧结热电材料，同时保持其高热电性能，图 1。

    图 1研究人员使用了一个三阶段交互过程，首先是 (i) 激光驱动烧结，然后是 (ii) 热电性能评估，然后是 (iii) 贝叶斯优化，回到 (i)。资料：圣母大学
    新工艺使用强脉冲光在不到一秒的时间内烧结热电材料，而传统的热炉烧结可能需要数小时。该团队通过使用机器学习来确定超快但复杂的烧结过程的条件，从而加快了这种将纳米颗粒墨水转化为柔性设备的方法。

    他们整合了高通量实验和贝叶斯优化 (BO)，以使用超快强脉冲光（闪光）烧结技术加速发现银-硒化物 TE 薄膜的烧结条件。由于闪光烧结过程的高维优化问题的性质，高斯过程回归 (GPR) 机器学习模型用于根据贝叶斯预期改进快速推荐闪光烧结变量，图2。

    图 2特征的特征-特征相关矩阵指导改进过程。资料：圣母大学
    他们生产了一种柔性 TE 薄膜，具有 2205 μW/m – K 2的超高功率因数，在 300 K 时的zT为 1.1；zT是无量纲品质因数，其中zT = S 2 ρ 1 κ 1 T，由塞贝克系数 (S)、电阻率 (ρ) 和热导率 (κ) 计算得出。烧结时间不到一秒，比传统的热烧结技术短了几个数量级。

    这些薄膜还表现出出色的柔韧性，在弯曲半径为 5 毫米的一千次弯曲循环后功率因数 (PF) 保持率为 92%，图3。此外，基于闪光烧结薄膜的可穿戴热电发电机在 10 K 的温差下可产生极具竞争力的 0.5 mW/cm 2功率密度。

    图 3闪光烧结薄膜在不同弯曲角度下的柔韧性测试证明了薄膜的弹性和寿命。资料：圣母大学
    他们相信，机器学习辅助的超快闪光烧结将使生产高性能设备的速度比目前快得多，成本也低得多。这项工作在他们发表在《能源与环境科学》杂志上的12 页论文“机器学习辅助的高性能和柔性银-硒化物热电设备的超快闪光烧结”中进行了详细描述；还有一个已发布的 17 页补充信息文件，其中提供了额外的见解和信息。
    项目2

    的卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)（德国）的一个团队开发了一种使用可印刷热电聚合物和复合材料生产 TEG 的方法，采用低成本、全丝网印刷的柔性设计。他们使用独特的两步“折纸式”折叠技术，利用基于 PEDOT [聚（3,4-亚乙基二氧噻吩）] 纳米线的热电油墨，将 2D 布局打印在薄的柔性基板上，从而生产出机械稳定的 3D 立方体设备和 TiS 2：己胺络合物材料，图 4。

    图 4制造和折叠技术的详细信息。[黄色：n型材料，蓝色：p型材料，灰色：衬底材料。箭头表示由于施加的温差（热端：红色，冷端：青色）而流经器件的电流。虚线箭头表示折叠程序。] a) 四个热电偶在基板上的二维布局，带有额外的未印刷基板条。b) 带有四个热电偶的折纸折叠 TEG，带有用于热电偶电绝缘的镶嵌基板材料。资料：卡尔斯鲁厄理工学院

    该设备的架构通过使用薄基板作为热电元件之间的电绝缘体，使热电偶密度达到每平方厘米 190 个单位，从而在 30 K 的温差下产生 47.8 W/cm 的高功率输出。器件属性可通过印刷布局进行调整，TEG 的热阻抗可在几个数量级上进行调整，从而使热阻抗能够与任何热源相匹配，图5。

    图 5 a) 具有 254 个 p 型腿（蓝色）和 253 个 n 型腿（黄色）（绿色：重叠区域）的折纸 TEG 的二维打印布局，以 13 列 x 39 行的棋盘图案排列。b) 以 TiS 2作为 n 型材料和 PEDOT 作为 p 型材料的丝网印刷 TEG，具有通过书法沉积的 PEDOT 扩展接触场。c) 堆叠所有列的折叠步骤加上一条额外的基材条。d) 完全折叠的热电带。e) 热电带在折线处折皱。f) 用 Kapton 丝带固定的完全折叠的热电发电机。资料：卡尔斯鲁厄理工学院

    他们在各种条件下测试了这些装置，图 6。功率点 (MPP) 的输出功率足以为低功率电子电路供电。当ΔT = 60 K 时，输出功率随 Δ Τ  增加而达到 243 W。即使 Δ T = 30 K，该器件也会产生P MPP = 63.4 W 和开路电压V oc = 534 mV，对应于功率密度为 47.8 W/cm 2而内阻为 1124 Ω。

    图 6 a) 打印后（浅色）和折纸折叠后（深色）展开的器件内部电阻直方图。b) 使用两个铜块作为热触点的 TEG 表征设置。c) TEG #6 的开路电压与施加的温差。d) TEG #6 不同应用温差下的 I-V 特性和输出功率与电压的关系。e) TEG #6 不同应用温差下的输出功率与电气负载的关系。f) 在 T = 30 K 时所有生产的 TEG 的输出功率和开路电压的直方图。：卡尔斯鲁厄理工学院
    作为有用性的实际测试和演示，他们构建了一个自供电气象站，使用现成的组件（包括博世 BME280 传感器和德州仪器电源管理 IC）测量环境温度、湿度和压力，所有均通过BLE（低功耗蓝牙）接口。