无机柔性热电材料出现新的研究方向

Energy & Environmental Science在2019年9月刊发了上海硅酸盐研究所史迅研究小组的研究成果——基于Ag2S柔性半导体的新型高性能无机柔性热电材料（Flexible thermoelectrics:from silver chalcogenides to full-inorganic devices）。该研究开辟了无机柔性热电材料研究新方向，为基于高性能无机材料的全柔性热电转换新技术的开发解决了最起始也是最关键的一个难点。

新型高性能无机柔性热电材料必须同时兼顾良好的塑性和热电性能。研究团队前期研究的无机柔性半导体材料Ag2S具有非常优异的柔性和弯曲性能。但能带带隙仅为1.0eV，室温下电导率和热电性能极低，对其本征缺陷的优化效果非常微弱。由此，研究团队通过以Se或Te固溶Ag2S材料，显著降低Ag间隙离子的缺陷形成，导致Ag间隙离子浓度增加，因而电输运性能获得明显改善，功率因子最大可达约5μW/cm·K2。同时，固溶Se/Te大幅度降低了材料的能带间隙，使热电优值的峰值往低温方向移动，在室温时热电优值最高为0.44。

Ag2Se和Ag2Te在室温下均呈现脆性，不具备塑性和柔性。因此，固溶Se或Te会对Ag2S的力学性能产生巨大影响。压缩试验、三点弯曲试验等力学测试结果表明，当Se或Te的成分在20%～60%区间时，材料兼具良好的塑性和热电性能。研究团队选取弯曲半径3mm进行测试，发现Ag2S0.5Se0.5薄片经历1000次反复弯曲后，电导率和塞贝克系数几乎未发生变化，表明材料的性能受应力影响较小，可满足柔性可穿戴供电的要求。

在获得高性能无机柔性热电材料的基础上，研究团队制备了由6对n型Ag2S0.5Se0.5热电臂和p型Pt-Rh线构成的面内型热电发电器件。在20K温差下，最大归一化功率密度达到0.08W/m2，比目前最好的纯有机热电器件高1～2个数量级。

基于Ag2S柔性半导体的新型高性能无机柔性热电材料和器件可同时提供优异的柔性和热电转换性能，且具有环境友好、稳定可靠、寿命长等优点，有望在以分布式、可穿戴式、植入式为代表的新一代智能微纳电子系统等领域获得广泛应用。