厦门大学&台湾清华大学丨Nano Energy: 基于MoS2/PU光热层柔性光热电纳米发电机用于红外光捕获

【研究背景】

热能在我们的生活环境中是非常丰富和普遍存在的，但它通常被浪费，现在普遍利用热释电效应和热电效应来发展热能收集技术。与几乎没有能量输出的热释电能量收集装置相比，热电装置在实际应用中更为有用、有效，当出现热电效应现象时，电能可以通过材料/装置中的温度梯度产生。然而利用热电来收集热能关键的挑战是要在装置中创造一个显著的温差(△T)，以驱动热电发电机。为了产生所需的温度差，传统的方法是利用各种笨重的组件，如真空罩、聚光透镜、散热器，这些额外的模块不仅会增加热电发电机的重量和尺寸，而且不利于整个设备的柔性，而柔性对可穿戴电子设备来说极为重要。在我们的生活环境中，除了直接热源外，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。最近, Jung等人报道了可穿戴式便携式的光热电发电机，该装置是利用超晶格结构吸收太阳光并在横向产生一个高温差。然而，该太阳能吸收器需要复杂的设计过程，其毒性也可能是一个大问题。因此，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。

近年来，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。到目前为止，大多数关于MoS₂报道只关注在生物医学应用，如癌症治疗或药物释放，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课题组和台湾清华大学生物医学工程研究所林宗宏课题组合作在Nano Energy上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。

【图文导读】

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；

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。

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2.625 W/cm²）;

(f) 不同光照时间下PTENG的输出电流（光功率密度为2.625 W/cm²）

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】

与之前报道的光电热电装置相比，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，该装置没有任何笨重的冷却元件，如真空外壳和散热器，使该装置重量轻、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，如超晶格结构。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，PTENG在可穿戴电子器件(如太阳能光电转换)光电能量收集方面具有很大的应用潜力。

综上所述，基于MoS₂/PU光热膜和Te/PEDOT热电层的柔性PTENG已被系统地论证和研究。MoS₂/PU层经过精心设计，通过调整MoS₂的含量，具有极佳的灵活性、可移植性和光热性能。通过将光热层与Te/PEDOT热电装置混合，PTENG可以利用光热效应和塞贝克效应的耦合来获取环境红外光能，从而产生电能。此外，所获得的PTENG具有灵活性、形状适应、重量轻、制造简单等诸多优点，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。

【文献链接】

A Flexible Photo-Thermoelectric Nanogenerator Based on MoS₂/PU Photothermal Layer for Infrared Light Harvesting（Nano energy, 2018, DOI： https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2018.04.072）

撰稿 | 厦门大学谢燕楠课题组何明会

部门 | 媒体信息中心科技情报部

编辑| 清新电源吴禹翰

主编 | 张哲旭

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