熱電發電機(TEG)利用熱量(或者更準確地說，溫差)和眾所周知的塞貝克效應來發電。它們的應用范圍從收集可用熱量的能量，特別是在工業和其他情況下的“浪費”熱量，到作為熱電轉換器，使用放射性動力源用于放射性同位素熱發生器(RTG)中的航天器。

　　基于TEG的RTG利用钚-238的自然衰變熱量。自1961年以來，它們幾乎被用于所有太空任務(見參考文獻)以及遠程地球應用。與太空中高度可見，干凈，通常令人眼花繚亂的太陽能電池板相比，它們沒有得到太多關注，但現實情況是，即使對于許多軌道或近地任務，太陽能電池板本身也無法提供足夠的電力。電化學電池的選擇是非啟動器，因為它們在太空的嚴寒中不起作用，如果沒有太陽能加熱效應，太空約為2.7 K。

　　與大多數能量收集傳感器和布置一樣，TEG原則上似乎是一個好主意，因為您幾乎一無所獲地得到了有價值的東西。然而，在實踐中，它們有幾個缺點：它們相對難以制造(尤其是批量制造)，而且效率低下(約10%)。這個效率數字雖然很低，但當熱量會被浪費或沒有其他可行的選擇時，通常是可以接受的。

　　我們通常將塞貝克效應與雙金屬結熱電偶和溫度測量而不是能量捕獲聯系起來。事實上，許多熱回收TEG器件使用由碲化鉍(Bi2特3)、碲化鉛(PbTe)、氧化錳鈣(Ca)2錳3O8)，以及其他材料，具體取決于應用和溫度。

　　TEG的另一個問題是它們難以大量生產，也難以廉價生產。這些缺點也激勵研究人員了解可以在他們的材料和生產過程中進行哪些增強或改進，正如兩個截然不同的項目清楚地證明的那樣。

　　項目 1

　　由圣母大學(印第安納州)的研究人員領導的一個團隊解決了TEG通常缺乏高通量處理方法的問題，因此他們開發了一種更快的方法來創建高性能設備。他們使用機器學習技術快速優化熱電材料的燒結，同時保持其高熱電性能， 圖1.

　　圖1 研究人員使用三階段交互過程，(i)激光驅動燒結，然后(ii)評估熱電特性，然后(iii)貝葉斯優化，導致(i)。來源：圣母大學

　　這種新工藝使用強脈沖光在不到一秒的時間內燒結熱電材料，而傳統的熱烤箱燒結可能需要數小時。該團隊通過使用機器學習來確定超快但復雜的燒結過程的最佳條件，從而加快了將納米顆粒油墨轉化為柔性設備的方法。

　　他們整合了高通量實驗和貝葉斯優化(BO)，以使用超快強脈沖(閃光)燒結技術加速發現銀-硒化物TE薄膜的最佳燒結條件。針對閃燒工藝高維優化問題的性質，采用高斯工藝回歸(GPR)機器學習模型，基于貝葉斯預期改進快速推薦最優閃燒變變量， 圖2.

　　圖2 頂級特征的特征-特征相關矩陣指導改進過程。來源：圣母大學

　　他們生產了一種超高功率因數為 2205 μW/m 的柔性 TE 薄膜。–K2 并帶有 zT 在 300 K 時為 1.1; zT 是一個無量綱的品質因數，其中 zT = S2ρ?1κ?1T，它由塞貝克系數 (S)、電阻率 (ρ) 和熱導率 (κ) 計算得出。燒結時間不到一秒，比傳統的熱燒結技術短幾個數量級。

　　這些薄膜還表現出出色的柔韌性，在彎曲半徑為5毫米的1000次彎曲循環后，功率因數(PF)保持率為92%， 圖3.此外，基于閃燒薄膜的可穿戴式熱電發電機可產生極具競爭力的 0.5 mW/cm 功率密度2 溫差為 10 K。

　　圖3 閃燒薄膜在不同彎曲角度下的柔韌性測試證明了薄膜的彈性和壽命。 來源：圣母大學

　　他們認為，在機器學習的幫助下，超快閃燒結將有可能以比目前更快的速度和更低的成本生產高性能設備。這項工作在他們的 12 頁論文中進行了詳細描述”機器學習輔助的高性能柔性銀-硒化物熱電器件的超快速閃燒結》發表在期刊上 能源與環境科學;還有一個張貼的 17 頁 補充資料 文件，提供其他見解和信息。

　　項目 2

　　久負盛名的團隊 卡爾斯魯厄理工學院 (套件)(德國)開發了一種使用可印刷的熱電聚合物和復合材料生產TEG的方法，采用低成本、完全絲網印刷的柔性設計。使用獨特的兩步“折紙式”折疊技術，他們使用基于PEDOT [聚(3，4-乙烯二氧噻吩)]納米線和TiS的熱電油墨，從薄柔性基板上打印的2D布局生產出機械穩定的3D長方體器件2：己胺絡合物， 圖4.

　　圖4 制造和折疊技術的細節。[黃色： n型材料，藍色：p型材料，灰色：基板材料。箭頭表示由施加的溫差(熱側：紅色，冷側：青色)流過設備的電流。虛線箭頭表示折疊程序。a) 在基板上放置四個熱電偶的 2D 布局，并帶有額外的未印刷基板條。b) 折紙折疊TEG與四個熱電偶，鑲嵌基板材料，用于熱電偶的電絕緣。資料來源：卡爾斯魯厄理工學院

　　該器件的架構通過使用薄基板作為熱電元件之間的電絕緣，實現了每平方厘米190單位的高熱電偶密度，在30 K溫差下產生47.8μW/cm2的高功率輸出。器件屬性可通過打印布局進行調節，TEG的熱阻可以在幾個數量級上進行調整，從而使熱阻能夠與任何熱源相匹配， 圖5.

　　圖5 a) 折紙 TEG 的 2D 打印布局，具有 254 個 p 腿(藍色)和 253 個 n 腿(黃色)(綠色：重疊區域)，以 13 列 x 39 行的棋盤圖案排列。b) 帶有TiS的絲網印刷TEG2 作為n型材料，PEDOT作為p型材料，具有PEDOT的擴展接觸場，通過書法沉積。c) 第一個折疊步驟將所有色譜柱堆疊起來，加上一條額外的基板條。d) 完全折疊的熱電帶。e) 折線處有折痕的熱電帶。f) 全折疊式熱電發電機，用 Kapton 帶固定。資料來源：卡爾斯魯厄理工學院

　　他們在各種條件下測試了這些裝置， 圖6.最大功率點(MPP)處的輸出功率足以為低功耗電子電路供電。輸出功率隨 Δ 增加Τ2 對于 Δ 達到 243 μWT?= 60 K。即使對于 ΔT?= 30 K，此設備生成 PMPP?= 63.4 μW 和開路電壓 V超頻?= 534 mV，對應于 47.8 μW/cm 的功率密度2 而內阻為1124 Ω。

　　圖6 a) 打印后(淺色)和折紙折疊(深色)后展開的設備內部電阻的直方圖。b) TEG表征設置，兩個銅塊作為熱觸點。c) TEG #6 的開路電壓與施加的溫差。d) TEG #6 處不同施加溫差的 I–V 特性和輸出功率與電壓的關系。e) TEG #6 處不同施加溫差的輸出功率與電負載的關系。f) ?T = 30 K時所有生產的TEG的最大輸出功率和開路電壓的直方圖。 資料來源：卡爾斯魯厄理工學院

　　作為實用性的實際測試和演示，他們建立了一個自供電氣象站，使用現成的組件測量環境溫度、濕度和壓力，包括博世 BME280 傳感器和德州儀器電源管理 IC，所有這些都通過 BLE(藍牙低功耗)接口進行報告。

　　關于他們的過程的全部細節，對其背后的材料科學物理學的深入分析，以及他們的測試安排和結果都在八頁的論文中”用于能量收集的全印刷折紙熱電發電機》發表于 自然界;還有一個13頁 補充資料 文件，其中包含進一步的分析以及完整的氣象站施工細節，以及生產過程第一階段的30秒視頻。

　　除了基本的雙金屬熱電偶之外，您是否曾經使用過TEG進行能量收集或功率捕獲?它是否在技術上起作用，或者是否存在意想不到的問題，使其成為“免費”電源的不充分選擇?

　　參考資料 – TEG 和 RTG

　　美國宇航局，”60年后，用于太空飛行的核動力仍然久經考驗"

　　美國宇航局，”關于 RPS 的常見問題解答"

　　美國宇航局，”電力系統"

　　比爾·施韋伯 是一個寫了三本教科書、數百篇技術文章、觀點專欄和產品功能的 EE。