热电发电机(TEG)利用热量(或者更准确地说，温差)和众所周知的塞贝克效应来发电。它们的应用范围从收集可用热量的能量，特别是在工业和其他情况下的“浪费”热量，到作为热电转换器，使用放射性动力源用于放射性同位素热发生器(RTG)中的航天器。

　　基于TEG的RTG利用钚-238的自然衰变热量。自1961年以来，它们几乎被用于所有太空任务(见参考文献)以及远程地球应用。与太空中高度可见，干净，通常令人眼花缭乱的太阳能电池板相比，它们没有得到太多关注，但现实情况是，即使对于许多轨道或近地任务，太阳能电池板本身也无法提供足够的电力。电化学电池的选择是非启动器，因为它们在太空的严寒中不起作用，如果没有太阳能加热效应，太空约为2.7 K。

　　与大多数能量收集传感器和布置一样，TEG原则上似乎是一个好主意，因为您几乎一无所获地得到了有价值的东西。然而，在实践中，它们有几个缺点：它们相对难以制造(尤其是批量制造)，而且效率低下(约10%)。这个效率数字虽然很低，但当热量会被浪费或没有其他可行的选择时，通常是可以接受的。

　　我们通常将塞贝克效应与双金属结热电偶和温度测量而不是能量捕获联系起来。事实上，许多热回收TEG器件使用由碲化铋(Bi2特3)、碲化铅(PbTe)、氧化锰钙(Ca)2锰3O8)，以及其他材料，具体取决于应用和温度。

　　TEG的另一个问题是它们难以大量生产，也难以廉价生产。这些缺点也激励研究人员了解可以在他们的材料和生产过程中进行哪些增强或改进，正如两个截然不同的项目清楚地证明的那样。

　　项目 1

　　由圣母大学(印第安纳州)的研究人员领导的一个团队解决了TEG通常缺乏高通量处理方法的问题，因此他们开发了一种更快的方法来创建高性能设备。他们使用机器学习技术快速优化热电材料的烧结，同时保持其高热电性能， 图1.

　　图1 研究人员使用三阶段交互过程，(i)激光驱动烧结，然后(ii)评估热电特性，然后(iii)贝叶斯优化，导致(i)。来源：圣母大学

　　这种新工艺使用强脉冲光在不到一秒的时间内烧结热电材料，而传统的热烤箱烧结可能需要数小时。该团队通过使用机器学习来确定超快但复杂的烧结过程的最佳条件，从而加快了将纳米颗粒油墨转化为柔性设备的方法。

　　他们整合了高通量实验和贝叶斯优化(BO)，以使用超快强脉冲(闪光)烧结技术加速发现银-硒化物TE薄膜的最佳烧结条件。针对闪烧工艺高维优化问题的性质，采用高斯工艺回归(GPR)机器学习模型，基于贝叶斯预期改进快速推荐最优闪烧变变量， 图2.

　　图2 顶级特征的特征-特征相关矩阵指导改进过程。来源：圣母大学

　　他们生产了一种超高功率因数为 2205 μW/m 的柔性 TE 薄膜。–K2 并带有 zT 在 300 K 时为 1.1; zT 是一个无量纲的品质因数，其中 zT = S2ρ−1κ−1T，它由塞贝克系数 (S)、电阻率 (ρ) 和热导率 (κ) 计算得出。烧结时间不到一秒，比传统的热烧结技术短几个数量级。

　　这些薄膜还表现出出色的柔韧性，在弯曲半径为5毫米的1000次弯曲循环后，功率因数(PF)保持率为92%， 图3.此外，基于闪烧薄膜的可穿戴式热电发电机可产生极具竞争力的 0.5 mW/cm 功率密度2 温差为 10 K。

　　图3 闪烧薄膜在不同弯曲角度下的柔韧性测试证明了薄膜的弹性和寿命。 来源：圣母大学

　　他们认为，在机器学习的帮助下，超快闪烧结将有可能以比目前更快的速度和更低的成本生产高性能设备。这项工作在他们的 12 页论文中进行了详细描述”机器学习辅助的高性能柔性银-硒化物热电器件的超快速闪烧结》发表在期刊上 能源与环境科学;还有一个张贴的 17 页 补充资料 文件，提供其他见解和信息。

　　项目 2

　　久负盛名的团队 卡尔斯鲁厄理工学院 (套件)(德国)开发了一种使用可印刷的热电聚合物和复合材料生产TEG的方法，采用低成本、完全丝网印刷的柔性设计。使用独特的两步“折纸式”折叠技术，他们使用基于PEDOT [聚(3，4-乙烯二氧噻吩)]纳米线和TiS的热电油墨，从薄柔性基板上打印的2D布局生产出机械稳定的3D长方体器件2：己胺络合物， 图4.

　　图4 制造和折叠技术的细节。[黄色： n型材料，蓝色：p型材料，灰色：基板材料。箭头表示由施加的温差(热侧：红色，冷侧：青色)流过设备的电流。虚线箭头表示折叠程序。a) 在基板上放置四个热电偶的 2D 布局，并带有额外的未印刷基板条。b) 折纸折叠TEG与四个热电偶，镶嵌基板材料，用于热电偶的电绝缘。资料来源：卡尔斯鲁厄理工学院

　　该器件的架构通过使用薄基板作为热电元件之间的电绝缘，实现了每平方厘米190单位的高热电偶密度，在30 K温差下产生47.8μW/cm²的高功率输出。器件属性可通过打印布局进行调节，TEG的热阻可以在几个数量级上进行调整，从而使热阻能够与任何热源相匹配， 图5.

　　图5 a) 折纸 TEG 的 2D 打印布局，具有 254 个 p 腿(蓝色)和 253 个 n 腿(黄色)(绿色：重叠区域)，以 13 列 x 39 行的棋盘图案排列。b) 带有TiS的丝网印刷TEG2 作为n型材料，PEDOT作为p型材料，具有PEDOT的扩展接触场，通过书法沉积。c) 第一个折叠步骤将所有色谱柱堆叠起来，加上一条额外的基板条。d) 完全折叠的热电带。e) 折线处有折痕的热电带。f) 全折叠式热电发电机，用 Kapton 带固定。资料来源：卡尔斯鲁厄理工学院

　　他们在各种条件下测试了这些装置， 图6.最大功率点(MPP)处的输出功率足以为低功耗电子电路供电。输出功率随 Δ 增加Τ² 对于 Δ 达到 243 μWT = 60 K。即使对于 ΔT = 30 K，此设备生成 PMPP = 63.4 μW 和开路电压 V超频 = 534 mV，对应于 47.8 μW/cm 的功率密度2 而内阻为1124 Ω。

　　图6 a) 打印后(浅色)和折纸折叠(深色)后展开的设备内部电阻的直方图。b) TEG表征设置，两个铜块作为热触点。c) TEG #6 的开路电压与施加的温差。d) TEG #6 处不同施加温差的 I–V 特性和输出功率与电压的关系。e) TEG #6 处不同施加温差的输出功率与电负载的关系。f) ∆T = 30 K时所有生产的TEG的最大输出功率和开路电压的直方图。 资料来源：卡尔斯鲁厄理工学院

　　作为实用性的实际测试和演示，他们建立了一个自供电气象站，使用现成的组件测量环境温度、湿度和压力，包括博世 BME280 传感器和德州仪器电源管理 IC，所有这些都通过 BLE(蓝牙低功耗)接口进行报告。

　　关于他们的过程的全部细节，对其背后的材料科学物理学的深入分析，以及他们的测试安排和结果都在八页的论文中”用于能量收集的全印刷折纸热电发电机》发表于 自然界;还有一个13页 补充资料 文件，其中包含进一步的分析以及完整的气象站施工细节，以及生产过程第一阶段的30秒视频。

　　除了基本的双金属热电偶之外，您是否曾经使用过TEG进行能量收集或功率捕获?它是否在技术上起作用，或者是否存在意想不到的问题，使其成为“免费”电源的不充分选择?

　　参考资料 – TEG 和 RTG

　　美国宇航局，”60年后，用于太空飞行的核动力仍然久经考验"

　　美国宇航局，”关于 RPS 的常见问题解答"

　　美国宇航局，”电力系统"

　　比尔·施韦伯 是一个写了三本教科书、数百篇技术文章、观点专栏和产品功能的 EE。