具有热能收集功能的无电池设备

研究人员已经开发出一种新材料，该材料比以前的热电材料更好地将热量转化为电能。这一发现可能为物联网带来巨大的福音。

基于电池的解决方案正变得越来越高效，并且越来越小型化。但是，对于某些应用，例如针对物联网的传感器（旨在实现零能耗），无法充分提高电池电量。这些设备将依赖于能量收集技术。

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，例如超低功率（皮瓦）微电子技术和超级电容器。

在这里，热电材料（可以将热量转换为电能的材料）开始发挥作用。这种空前的容量可用于为多种技术（例如传感器甚至小型计算机处理器）提供自主和可再生的能源，从而使它们能够通过温差产生自己的能量。效率越来越高的设备的出现可能为充分利用能量收集优势的新解决方案铺平道路。

塞贝克效应是材料两侧之间的温度梯度产生电压的时候。 PN结是热电器件（TEG）的基本组件，并且包含P型和N型热电材料的单一结构，该结构是通过向硅中掺杂硼（P）和磷（N）等杂质而实现的，每种杂质都串联电连接。

图1：TEG发生器基本上由具有两个表面的珀耳帖单元表示：热（h）和冷（c）

TEG模块实质上由许多串联的PN对组成。这种结构产生的电压与热梯度成正比：从热的角度看，PN对平行放置。热电或TEG发电模块已经用于许多应用中，这些应用收集由于放射性物质供应的衰减而散发的热量（图1）。此过程的效率取决于设备热端（Th）和冷端（Tc）之间的温差以及热电材料的性能，用热电性能因数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是测量热电特性的温度。所谓的ZT值衡量在给定的温差下可以产生的电能的数量：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，必须提高功率因数PF = S2 /ρ，并且必须减小热导率λ=λe+λph（λe和λph分别表示电子和声子的贡献）。

该热处理过程的效率基于三个参数：塞贝克系数，电阻率和导热率。构成品质因数的这三个单独的物理特性并非彼此独立。因此，要改善一个而不恶化另一个是困难的或不可能的。 λph（T）是唯一可以自由更改而不会影响其他参数的数量。因此，提高整体效率的最有前途的方法是减小尺寸。 TU Wien固态物理研究所的Ernst Bauer教授进行的这项研究着重于沉积在Si晶片上的全Heusler薄膜合金，因为它们的PF和ZT值相当高且成本适中。除了对热电的期望外，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。维也纳大学的科学家已经成功开发出ZT值为5至6的全新材料。它是硅，铁，钒，钨和铝的薄层。新型高效材料可能会彻底改变传感器电源市场，特别是在无线传感器网络（WSN）市场中。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。这样生产的材料具有紧凑和非常适应的优点。

“良好的热电材料必须显示出强大的塞贝克效应，并且必须满足两个难以调和的重要要求，”维也纳大学固体物理研究所的恩斯特·鲍尔教授表示。 “一方面，它应尽可能导电。另一方面，它应该传输的热量尽可能少。这是一个挑战，因为电导率和导热率通常密切相关（图2）。”

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始终相同，其他类型的原子也相同。因此，整个晶体是完全规则的。当将薄薄的铁层施加到硅基板上时，结构发生根本变化，原子以完全无规分布的方式组装在以空间为中心的结构上。这种分布改变了原子的电子结构，从而确定了电子进入网格的路径。产生的电荷以特定方式移动，从而获得非常低的电阻值。穿过材料的电荷部分称为韦尔费米子。晶体结构的不规则性抑制了格栅的振动。导热系数要低得多，因此可以从热梯度获得良好的电转换。

图2：整个复合材料（层，界面和基底）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。温度相关的功率因数（c）和近似品质因数（d）。 [来源： Nature]

本文编译自powerelectronicsnews。