我国学者在柔性热电技术研究方面取得进展

图1 AgCuS - AgCuSe – AgCuTe赝三元固溶体“组分-性能”相图

图2 超薄热电器件实物图及器件性能（6对，f=72%）

图3 柔性热电材料和器件性能比较

　　在国家自然科学基金项目（批准号：51625205、91963208）等资助下，上海硅酸盐研究所史迅、陈立东团队与合作者在柔性热电技术研究方面取得进展。研究成果以“基于塑性半导体的柔性热电技术（Flexible thermoelectrics based on ductile semiconductors）”为题，于2022年8月19日发表在《科学》（Science）杂志上。论文链接：https://doi.org/10.1126/science.abq0682。

　　热电转换技术可将人体或环境的热量转换为电能，为柔性电子提供一种可行的自供电解决方案。目前柔性热电技术的研究一般直接使用具有良好柔塑性的有机热电材料，或者将脆性的无机热电材料集成于柔性基板；前者的电性能较低，导致输出电压和功率远低于无机材料；后者结构与工艺复杂，难以制备出超薄柔性器件。该研究团队近年来发现的室温塑性无机半导体如Ag₂S和二维范德华InSe单晶，将金属/有机材料的力学特性与无机半导体的电学特性集于一身，为柔性热电技术提供了全新的研究思路与解决方案。然而，目前p型无机塑性热电材料的种类非常稀少、室温附近热电优值极低（约0.01），严重制约了超薄柔性热电器件的研制及应用。

　　Ag基化合物一般为n型导电，而Cu基化合物一般为p型导电；高含量的Ag-S键易导致塑性，而高含量的Cu-Se/Te键易导致脆性。该研究团队系统研究了AgCu(Se,S,Te)化合物的物相组成、电热输运性能和力学性能，成功绘制出该体系的“脆性-塑性”与“n-p型”转变相图（图1）。当AgCu(Se_1-y-xS_xTe_y) 中Te固溶量y在0.5－0.7、S固溶量x在0.05－0.08之间时，材料同时具有塑性和p型导电行为。与此同时，AgCuSe_0.3-xS_xTe_0.7（x = 0.06和0.08）具有良好的塑性以及远高于有机热电材料的热电性能。基于所开发的高性能p型无机塑性热电材料，成功研制出最薄为0.3mm的超薄无机柔性热电器件（图2），其最大归一化功率密度达30 µWcm^-2K^-2，比有机热电器件高约4个数量级，比传统的Bi₂Te₃基刚性器件高约4倍（图3）。

　　该研究工作研发的超薄柔性热电材料与器件能将人体或环境热量快速有效地转换成电能，具有稳定可靠、长寿命、超薄、可弯曲、全天候工作等优点，有望为柔性电子提供一种高效的自供电技术。