厦门大学Nano energy：基于MoS2/PU光热层的柔性光热电纳米发电机

【本文亮点】

1. 基于MoS2/PU光热膜和Te/PEDOT热电层的柔性光热电纳米发电机可用于收集环境中的红外光。

2. 相比传统的热电装置，光热电纳米发电机可在无空间温度梯度的条件下实现有效电输出。

3. 该类型的PTENG具有柔性、形状适应性、重量轻和制造工艺简单等优点。

【引言】

将环境能量转化为电能的能量收集技术受到广泛的关注。机械能可通过起源于麦克斯韦位移电流的纳米发电机收集；热能普遍利用热释电效应和热电效应来发展热能收集技术，但面临在装置中创造一个显著温差(△T)，以驱动热电发电机的挑战。光源(如红外光)也可以通过光热效应提供热能；基于光热效应和塞贝克（Seebeck）效应，光热电发电机被迅速研究用于在环境中没有空间温度梯度的情况下将光能转化为电能。然而开发出新型的光热材料和器件结构是光热电纳米发电机(PTENG)的关键。MoS2被证明是一种比氧化石墨烯和金纳米棒具有更高吸光度的光热材料，但关于能量采集技术的应用研究很少，尤其是光热电发电机。

【成果简介】

近日，厦门大学能源学院谢燕楠教授课题组与台湾清华大学生物医学工程研究所林宗宏教授课题组合作，报道了一种柔性的光热电纳米发电机(PTENG)，它由MoS2/PU光热层与基于碲(Te)纳米线的热电装置相结合形成。由于MoS2纳米簇具有极大的比表面积，使MoS2/PU膜具有柔性、可转移性和良好的光热特性。碲纳米线被用于制造热电纳米发电机是因其具有良好的热电性能，如导热系数低，温度范围宽。通过将光热层与热电装置相结合，PTENG可以吸收红外光，从而在设备中形成温度差，进而两个电极之间的电位差就可以建立起来用于发电。因此，PTENG可以在没有空间温度梯度的情况下产生电能。此外，柔性和形状自适应的PTENG可以很好地应用于可穿戴电子和植入式电子设备的光热电能量转换，该研究成果发表在著名期刊Nano Energy。

【图文解读】

图1 基于MoS2/PU光热膜和Te/PEDOT热电层的光热电纳米发电机(PTENG)结构示意图和材料表征。a) 基于MoS2/PU光热膜和Te/PEDOT热电层的光热电纳米发电机(PTENG)结构；b) MoS2纳米簇的SEM图；c) 碲纳米线的SEM图；d) MoS2纳米簇的拉曼光谱图；e) 碲纳米线的拉曼光谱图

图2 MoS2/PU膜的热成像图，光学照片及光热升温曲线。a) MoS2/PU膜热成像图；b) MoS2/PU膜在不同MoS2浓度(0, 0.5,1, 2, 3 wt %)下的光学显微镜图像；c) Ag电极(无MoS2/PU膜)和MoS2/PU薄膜在不同MoS2浓度(0, 0.5, 1, 2, 3 wt %)下的光热升温曲线

作者首先利用温度剖面和热成像图研究了MoS2光照后的变化，结果表明MoS2可以吸收红外光，并能有效地将其转化为热，且MoS2是一种极好的光热介质，具有较高的红外吸收率。随着MoS2的重量百分比的增加，MoS2纳米簇在光热层中分布的密度和均匀性越来越高，这与增强的光热性能相对应。

图3 热电纳米发电机（TENG）工作示意图及热电测试。a) 热板加热基于Te/PEDOT薄膜的热电纳米发电机的示意图；b) TENG在温差为45 K时的开路电压；c) TENG在温差为45 K时的短路电流；d)开路电压对热板所引起的温差的依赖性

研究人员将一个电极(图3(a)左侧)被放置在热板上，而另一个电极(图3(a)中的右侧)被悬挂在空气中而不与热板接触。当热板加热并保持在323K时，左侧电极的温度迅速升高，而右侧电极的温度保持在室温(约303K)，因此在两个电极之间建立了温度梯度，使两电极之间产生电压输出。在温差为45K时，其峰值输出电压可达到约1.9mV，Seebeck系数为42μV/K，相对较低的Seebeck系数可能是Te/PEDOT复合材料中Te纳米线的浓度较低。然而，随着Te浓度的增加，很难得到分散的Te/PEDOT混合溶液，不利于Te/PEDOT热电薄膜的制备，也不利于热电装置的稳定电输出。VOC在达到最大值后并没有明显的衰减，表明了Te/PEDOT热电层具有低导热系数。对TENG进行了多次的加热冷却循环测试，VOC表现出可靠性和可重复性。短路电流(ISC)与VOC有相似的输出特性，其峰值约为1.5μA。此外，温差与输出电压之间存在良好的线性关系，表明了该TENG在自供电温度传感器中有巨大的应用潜力。

图4 PTENG的工作示意图及光热电测试。a) 用红外激光照射PTENG的示意图；b)柔性PTENG的照片；c) 不同光功率密度下PTENG的输出电压；d) 不同光功率密度下PTENG的输出电流；e) 不同光照时间下PTENG的输出电压（光功率密度为2.625W/cm2）；f) 不同光照时间下PTENG的输出电流（光功率密度为2.625W/cm2）

随后作者组装了PTENG设备，其良好的柔性和变形性，使其具有形状适应性，适用于曲面以达到广泛实际应用的目的。为了研究PTENG的光热电性能，采用IR激光(λ= 808 nm)照射带有电极的MoS2/PU膜，光热层就能吸收红外光，并引起自身温度的升高，两个电极之间会有温度差，Seebeck效应使电极间产生电势差。在光照过程中，有两个因素会影响PTENG的电输出：一个是光功率，另一个是光照时间。当红外激光器开启时，VOC迅速增加，在不同的光功率密度2.625、2.3和2W/cm2条件下，VOC最后达到饱和值1.2、0.7和0.5mV，这表明光功率越高，电压输出越大，并揭示了MoS2/PU薄膜的光热效应对光功率的强烈依赖性。在相同的激光功率密度2.625W/cm2下，当光照时间从30s增加到100秒时，VOC和ISC从0.6 mV和0.1μA急剧上升到1.1 mV和0.15μA；光照时间增加到200s时，VOC和ISC达到饱和最大值1.2 mV和0.18μA。光热电特性曲线与材料的光热特性相似(图2(c))，这表明两个电极之间的温差是电输出的驱动力。PTENG的主要工作机制是由光热效应和塞贝克效应耦合形成的。

图5 PTENG相关应用图。a) IR灯照射PTENG示意图；b) PTENG应用于窗户上收集红外光；c) PTENG在红外灯照射下的输出电压；d) 串联PTENG应用于不规则岩石上收集户外太阳光

【总结与展望】

本文所报道的柔性PTENG具有几个独特的优点。首先，PTENG可以长时间且稳定地产生电输出，且该装置重量轻、体积小，所以适用于可穿戴式电子设备；其次，PTENG的光热层是基于简单的MoS2/PU薄膜，不需要复杂的设计过程。此外，MoS2/PU光热层是无毒的、生物兼容的，这对可穿戴电子产品至关重要。因此，考虑到设备的高灵活性，形状适应、重量轻、制造简单等诸多优点，PTENG在可穿戴电子和植入式电子产品的光电能量采集方面具有很大的应用潜力。

该工作得到了中国国家自然科学基金(No. 61601394)、福建省自然科学基金(No. 2016J01319)、福建省教育厅教育研究基金(No.)的支持。(JAT160006)，以及中央大学的基础研究经费(No. 20720160089)。

Minghui He, Yu-Jhen Lin, Che-Min Chiu, Weifeng Yang, Binbin Zhang, Daqin Yun,Yannan Xie, Zong-Hong Lin, A Flexible Photo-Thermoelectric Nanogenerator Based on MoS2/PU Photothermal Layer for nfrared Light Harvesting, Nano, energy, 2018, DOI:10.1016/j.nanoen.2018.04.072

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