無機柔性熱電材料出現新的研究方向

Energy & Environmental Science在2019年9月刊發了上海硅酸鹽研究所史迅研究小組的研究成果——基于Ag2S柔性半導體的新型高性能無機柔性熱電材料（Flexible thermoelectrics:from silver chalcogenides to full-inorganic devices）。該研究開辟了無機柔性熱電材料研究新方向，為基于高性能無機材料的全柔性熱電轉換新技術的開發解決了最起始也是最關鍵的一個難點。

新型高性能無機柔性熱電材料必須同時兼顧良好的塑性和熱電性能。研究團隊前期研究的無機柔性半導體材料Ag2S具有非常優異的柔性和彎曲性能。但能帶帶隙僅為1.0eV，室溫下電導率和熱電性能極低，對其本征缺陷的優化效果非常微弱。由此，研究團隊通過以Se或Te固溶Ag2S材料，顯著降低Ag間隙離子的缺陷形成，導致Ag間隙離子濃度增加，因而電輸運性能獲得明顯改善，功率因子最大可達約5μW/cm·K2。同時，固溶Se/Te大幅度降低了材料的能帶間隙，使熱電優值的峰值往低溫方向移動，在室溫時熱電優值最高為0.44。

Ag2Se和Ag2Te在室溫下均呈現脆性，不具備塑性和柔性。因此，固溶Se或Te會對Ag2S的力學性能產生巨大影響。壓縮試驗、三點彎曲試驗等力學測試結果表明，當Se或Te的成分在20%～60%區間時，材料兼具良好的塑性和熱電性能。研究團隊選取彎曲半徑3mm進行測試，發現Ag2S0.5Se0.5薄片經歷1000次反復彎曲后，電導率和塞貝克系數幾乎未發生變化，表明材料的性能受應力影響較小，可滿足柔性可穿戴供電的要求。

在獲得高性能無機柔性熱電材料的基礎上，研究團隊制備了由6對n型Ag2S0.5Se0.5熱電臂和p型Pt-Rh線構成的面內型熱電發電器件。在20K溫差下，最大歸一化功率密度達到0.08W/m2，比目前最好的純有機熱電器件高1～2個數量級。

基于Ag2S柔性半導體的新型高性能無機柔性熱電材料和器件可同時提供優異的柔性和熱電轉換性能，且具有環境友好、穩定可靠、壽命長等優點，有望在以分布式、可穿戴式、植入式為代表的新一代智能微納電子系統等領域獲得廣泛應用。