研究人员开发出一种受斑马皮启发的新型热电发电机

热电发电机(TEG)是可以将温度梯度转化为电能的设备。这些设备对于为无法连接到主电网的远程传感器发电非常有用。传统的TEG由一侧(顶部或底部)组成，一侧辐射热量以冷却，另一侧吸收来自太阳或环境的热量。

反过来，这会产生平面外温度梯度，并将其转化为电能。然而，此类要求通常会导致设计体积庞大、复杂且效率低下。这反过来又使TEG难以与其他组件或系统集成，从而限制了它们在可再生能源系统中的应用。

幸运的是，韩国的研究人员现在可能已经找到了克服这些挑战的方法。在一项新研究中，由光州科学技术学院(GIST)YoungMinSong教授领导的研究人员报告了一种新型柔性、轻质且可生物降解的TEG，其灵感来自一个不太可能的地方——斑马皮。从本质上讲，该设计使用类似于黑白斑马条纹的图案来产生用于发电的高平面内温度梯度。这一突破发表在《科学进展》上。

“传统的TEG设计大而笨重，因为它们依赖于自然对流，这会导致面外温度梯度。这需要硬绝缘体，这限制了TEG在柔性和可穿戴设备中的应用。我们现在已经超越了这种范式在我们的设计中，通过创建一种灵活且可生物降解的平面内设备。这增加了它的适用性，同时通过使其可扩展、可集成和可持续发展来减少其对环境的影响，”宋教授解释道。

研究人员使用聚(L-丙交酯-co-ε-己内酯)(PLCL)，一种白色、柔韧、可生物降解的材料来制造TEG。PLCL反射阳光并发出红外线(IR)辐射，这使得它下方的区域变得凉爽。在这种材料之上，研究人员应用了黑色聚(3,4-乙烯二氧噻吩)：聚(苯乙烯磺酸盐)或(PEDOT：PSS)，它在眼睛上看起来是黑色的，在PLCL上呈现出类似于斑马皮上的条纹。

PEDOT:PSS呈现黑色的原因是它吸收照射在其上的阳光，同时反射来自其下方的红外辐射(由PLCL发出)。这反过来又会增加黑色条纹下方区域的温度，从而形成交替的暖区和冷区，即温度梯度，然后可以将其转化为电能。

研究人员在他们的设计中使用一系列硅纳米膜实现了这种转化。新颖的设计能够产生22°C的最大温差以及6µW/m²的最大能量密度。此外，该装置仅用了35天就完全生物降解，没有任何残留副产物。

凭借这些卓越的特性，新的TEG设计必将打开通向可扩展、环保能源系统的大门。

“大流行导致一次性口罩和防护设备的广泛使用，这对环境造成了巨大影响。这凸显了对可持续和环保解决方案的需求，例如TEG，这些解决方案可以结合到此类可穿戴设备中以执行自发电等特殊功能和传感，”宋教授说。

“由于其重量轻且可生物降解的特性，我们的设计可以填补这一空白。它还可以无缝集成到各种能源和智能电网技术中，以进一步增强其功能和影响，”他总结道。