近日，日今年夜阪大学领导的研究团队开拓出一种能高效发电、机器稳定性高、便宜的“大面积”柔性热电发电机（FlexTEG）模块。
背景
“社会 5.0（Society 5.0）”，是2016年1月日本内阁会议在决定的五年科学技能政策基本指针“第5期科技技能基本方案”中所利用的新词汇。其紧张意图是，最大限度运用信息通讯(ICT)技能，通过网络空间与物理空间（现实空间）的领悟，使得大家富余的“超智能社会”作为未来的社会形态进行共享。
下图所示：2015年12月18日，日本综合科技创新会议通过了“第五期科学技能基本操持”的专家论证方案
（图片来源：日本首相官邸官网）
据称，通过各种物联网（IoT）技能，“社会 5.0”描述的联网的“超级智能社会”不久的未来将得以实现。
然而，各种物联网设备的持续稳定运行都离不开电能供应。依赖电池的传统供电办法，须要频繁充电且续航能力有限，成为了影响物联网发展和用户体验的关键瓶颈之一。
为此，科研职员们开拓了浩瀚的自供电技能，通过采集人体活动及环境中的声、光、热、力等各种形式的能量，并将其转化为电能，为电子器件或者物联网智能设备供应持续的电力供应。个中一项范例的技能便是热电发电系统，它将为“社会 5.0”描述的“超级智能社会”作出独特的贡献。
热电发电系统基于温差电效应，这一效应是指在分外材料中，由于温度差异而产生电压的过程。一样平常来说，材料一端较热另一端较冷时，电荷载体会从热的一端向冷的一端移动，形成电动势，进而产生电压。这种材料只须要低于“一摄氏度”的温差，就能产生检测得到的电压。
（图片来源：维基百科）
热电发电系统的核心是热电转换技能，它直接将热能转化为电能，反之亦然。新一代的热电转换技能，能根据眇小温度差异，进行能量转换，有助于能量网络。所谓的能量采集是一种获取少量能量的过程，否则这些能量将会摧残浪费蹂躏掉。热电发电系统，通过有效利用环境中的废热，持续不断发电，从而有效保护环球环境并节约能源。
将热电发电系统作为下一代物联网设备能量源的干系研究，已经受到了天下各国科研职员的广泛关注。同样，“热电发电系统”也是笔者重点关注的前沿科技领域之一。该领域的干系研究进展多次被先容，例如：
1）日本早稻田大学、大阪大学、静冈大学的研究职员们成功开拓出一种新型硅纳米线热电发电机。它具有较高的功率密度，且只需很小的温差，就足以驱动传感器或者实现间歇的无线通信。
传统的热电发电机（左）与新开拓的热电发电机（右）（图片来源：早稻田大学）
2）日今年夜阪大学的研究职员与日立公司互助开拓出一种新型无毒的热电材料：硅化镱 （YbSi2）。YbSi2 不仅无毒，而且具备高导电性、低导热性，因此可成为一种空想的热电发电材料。
（图片来源：参考资料【2】）
3）美国麻省理工学院的物理学家们找出了一条可以显著提升热电势的路子。大略说，这种方法便是即在强磁场浸染下加热拓扑半金属。通过这种方法，材料的效率将提升五倍，产生的能量有望翻倍，是现今最佳的热电材料。
（图片来源：Chelsea Turner/MIT）
4）德国海姆霍兹柏林材料所（HZB）教授 Norbert Nickel 领导的科研团队研发出一种大略方法，利用铅笔和纸张，将热量转化为电力。
( 图片来源：HZB ）
5）日本北海道大学领导的科研团队通过使扩散电子的运动空间显著变窄的方法，改进了将废热转化为可用电力的能力。
超晶格的观点图：个中扩散电子被限定在狭窄的空间中，来改进热电转换效率。（图片来源：北海道大学）
一样平常来说，热电转换是最适宜将低温（150°C 或者更低）条件下的废热转化为电能的技能之一，这种技能将采取热电发电机（TEG） 模块开拓发电系统。然而，由于可事情在100-150°C温度范围的热电发电机模块的封装技能尚未成熟，适用于这一温度范围的热电发电技能还无法实际运用。此外，室温条件下，发电模块的生产本钱很高，使得这项技能的运用局限在特定领域中，例如太空运用。
创新
为理解决上述问题，开拓更好的热电发电机模块。近日，日今年夜阪大学领导的研究团队开拓出一种发电效率高、机器稳定性高、便宜的“大面积”柔性热电发电机（FlexTEG）模块。通过模块两侧顶部电极的方向变革，以及高密度封装的半导体芯片，FlexTEG 模块在任意单轴方向上更具柔性。
下图所示：FlexTEG 模块的图片与方案设计，碲化铋(Bi-Te)半导体芯片的图片，以及在不同温度梯度下，FlexTEG 模块的电压和功率随着电流变革的图片。
（图片来源：大阪大学）
团队的研究成果揭橥在《前辈材料技能（Advanced Materials Technologies）》期刊上。
技能
研究职员们通过在柔性基底上安装小型热电（TE）半导体芯片，实现了芯片与柔性基底之间可靠且稳定的电气打仗，从而高效地重新利用废热（热电转换）。在传统的非柔性热电转换模块中，两侧的顶部电极安装时与其他顶部电极保持垂直，因此模块的波折程度有限。然而，在 FlexTEG 模块中，所有的顶部电极平行安装，当模块朝着任何单轴方向波折时，能为其供应柔性。这样减少了芯片上的机器应力，提升了FlexTEG 模块的机器（物理）可靠性 。
（图片来源：大阪大学）
代价
这项研究提升了来自曲面热源的废热的热电转换效率，改进了模块的机器稳定性，由于施加到模块中的半导体芯片上的机器应力变得更小。
论文领导作者 Tohru Sugahara 表示：“由于所有半导体封装材料的热阻（约达150°C）以及模块的机器柔性，我们的 FlexTEG 模块将被用作 150°C 或者更低的温度下废热的转换热电发电机模块。它的安装技能是基于传统的半导体封装技能，以是预先考虑到了热电转换模块的量产与本钱降落。”
关键字
自供电、柔性电子、半导体、物联网
参考资料
【1】https://resou.osaka-u.ac.jp/en/research/2018/20181214_1
【2】http://dx.doi.org/10.1002/pssr.201700372
【3】Tohru Sugahara, Yusufu Ekubaru, Ngo Van Nong, Noriko Kagami, Keiichi Ohata, Le Thanh Hung, Michio Okajima, Shutaro Nambu, Katsuaki Suganuma. Fabrication with Semiconductor Packaging Technologies and Characterization of a Large‐Scale Flexible Thermoelectric Module. Advanced Materials Technologies, 2018; 1800556 DOI: 10.1002/admt.201800556
