可穿戴装置 可直接将人体热量转化为电能

KOREA UNIVERSITY

手机、电器和人类都会产生热量，不过，这些热量通常会作为垃圾能量“泄漏”到环境中。热电发电机将温差转换为电能，是一种把浪费的热量利用起来用于发电的方法。

研究人员现在已经制造出一种热电发电机（TEG），它柔软且有弹性，在暴露于环境中时可以完全生物降解。与传统的刚性热电器件不同，《科学进展》杂志报道的这种热电器件可以很容易地集成到织物中，从而允许使用身体热量驱动的可穿戴传感器或温度检测的一次性面罩。

在TEG中，热区和冷区之间的电荷流动产生电压差，从而产生电。热电发电机使用不同的材料以不同的方式制造。它们通常由保持冷的一侧组成，而另一侧与发热部件接触，无论是电机还是身体。

由于TEG是固态设备，没有移动部件，因此维护成本低，寿命长。到目前为止，他们依赖于昂贵或有毒的半导体材料，如碲化铋和碲化铅，主要用于航天器和卫星等利基应用。

研究人员一直在努力降低成本，提高TEG的效率。最近，一个团队设计了一种创造热电的方法，将太阳的温暖与空间的寒冷相结合，将一种向外层空间辐射热量的材料放在一种从周围空气中吸收热量的材料上。

然而，韩国光州科学技术院电气工程和计算机科学教授Young Min Song表示，迄今为止用于制造TEG的材料和设计“可能会导致一种复杂而低效的TEG，体积庞大，难以与其他部件配合”。

Song和同事决定放弃传统的自上而下的堆叠方法。相反，他们使用斑马条纹的图案，在表面上创建彼此相邻的冷热区域，以产生足够大的面内温差，从而产生电力。

他们从一种白色的薄片开始，该薄片由一种可拉伸且可生物降解的聚合物制成，称为己内酯（caprolactone），通常用于外科植入物和药物输送装置。这种材料反射太阳光，是强烈的红外热发射器。研究人员在这张纸上涂上规则间隔的黑色聚合物条，这种聚合物吸收阳光并反射红外辐射。黑白相间的条纹在可拉伸材料上形成冷热区域。

研究人员将条纹片放在他们所称的硅纳米膜上。这种纳米级薄膜是由数根n和p掺杂的硅线组成的阵列，研究人员在硅片上以蛇形图案生长，然后转移到由己内酯酯制成的薄片上。这些电线的波浪形结构有助于它们伸展而不断裂。

当研究人员将该设备放置在室外进行测试时，白色部分的温度比环境温度低8°C，而黑色部分的温度则比环境空气高14°C，从而产生22°C的最大温差。硅导线将这种温差转换为电能，产生的最大功率约为每平方米6微瓦（µW/m²）。

Song表示，这足以用来操作低功耗传感器，但他也承认这低于商业应用的理想值。使用更具热电效率的材料，如碲化铋，将提高功率输出，但这里的优势是该设备成本低、可拉伸且完全可生物降解。Song说：“即使样品拉伸了约1.3倍，发电性能仍保持不变。”

在实验室中，当将装置置于盐水溶液中时，它在35天内完全溶解成无害的副产物。Song说，该过程在自然环境中需要更长的时间。