[发明专利]一种可拉伸多孔结构的面外型热电器件

说明书

本发明涉及一种可拉伸多孔结构的面外型热电器件，属于柔性热电能量转换技术领域。该热电器件由以下结构组成：由导电布构成的顶电极(1)和底电极(4)，由低热导率的柔性多孔材料和热电材料组成的p型热电臂(2)和n型热电臂(3)，由柔性可拉伸的高导热薄膜(5)和高导热的金属界面层(6)组成的柔性高导热基底。本发明所要解决的技术问题是：构筑热电能量转换功能与三维多孔结构一体化的弹性材料，获得可拉伸热电材料；设计热电器件电极结构、降低热电器件与热源之间的界面热阻，提升热电器件冷热两侧实际温差，提高器件输出电压性能，实现器件利用人体体温发电的可穿戴电源应用的可拉伸应用。

技术领域

本发明涉及一种可拉伸多孔结构的面外型热电器件，属于柔性热电能量转换技术领域。

背景技术

应用于可穿戴传感系统的器件应该具有可持续工作、独立性、免保养、机械柔性等特点。毫无疑问在传感和信号传输过程中，电源是不可缺少的一部分。但是当下供电单元成为了可穿戴传感网络实现上述功能的最大的限制，因为目前应用最广泛的电源系统是块体电池，其带来了一系列诸如可穿戴柔性问题、频繁充电问题和电池更换等问题。由于越来越多的传感器被应用于远程控制场景，因此无需外部供电单元供应的自供电传感器件变得尤为重要。换言之，实际的应用需求对自供电传感系统提出了越来越高的需求。

可穿戴柔性传感器在获取和传输信号的过程中大多需要微瓦至毫瓦级的能源供应。因此，可收集低品位能量(废热能、人体运动机械能)的能源器件对驱动此种可穿戴柔性传感器件至关重要。微能源收集器件可基于多种原理：比如压电效应和摩擦电效应收集机械能，热电效应收集废热能，光伏效应收集太阳能，此类微能源收集器件在可穿戴柔性传感系统中已经被广泛研究。其中，温差发电器件是基于热电材料的塞贝克效应，将热能转化为电能，具有环境友好、体积小，结构紧凑，无运动部件等优点。具体原理为：当热流从热电材料的热端流到热电材料的冷端时，半导体热电材料内部的自由电荷(电子或空穴)也跟着定向运动，通过这种电荷运动将热能转化为电能。利用人体与外界环境建立的温差用于发电，实现柔性可穿戴设备的自供电。

目前，应用于人体体表热量收集的刚性人体温差发电器件，存在着器件制造成本高，可靠性差、不便于穿戴等问题。此外，人们将目光转向柔性可穿戴温差发电器件。虽然国际上对柔性热电器件的研究有了一定进展，但目前仍然存在四个主要挑战。第一，基于高性能无机热电材料的柔性器件，由于热电材料较高的热导率，在人体应用中很难在热电材料两侧建立温差；第二，现有的柔性热电器件，使用较低热导率的高分子基底，造成较大的热损耗，不利于热能利用。第三，现有的柔性热电器件受限于电极的不可拉伸性，因此器件本身不具有可拉伸性；第四，柔性热电器件基底与热源之间接触热阻较大，使热电臂两侧实际温差较小，影响热电转换效率。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：构筑热电能量转换功能与三维多孔结构一体化的弹性材料，获得可拉伸热电材料；设计热电器件电极结构、降低热电器件与热源之间的界面热阻，提升热电器件冷热两侧实际温差，提高器件输出电压性能，实现器件利用人体体温发电的可穿戴电源应用的可拉伸应用。

一种可拉伸多孔结构的面外型热电器件，该热电器件由以下结构组成：由导电布构成的顶电极(1)和底电极(4)，由低热导率的柔性多孔材料和热电材料组成的p型热电臂(2)和n型热电臂(3)，由柔性可拉伸的高导热薄膜(5)和高导热的金属界面层(6)组成的柔性高导热基底。

p型热电臂(2)和n型热电臂(3)通过银浆与顶电极(1)和底电极(4)连接，使用银浆可有效降低接触电阻。底电极(4)通过导电布自身的胶面粘在高导热薄膜(5)的上表面。金属界面层(6)通过原位生长固定在高导热薄膜(5)的下表面。