摘 要：温差发电技术能将热能直接转化为电能，具有清洁、安全、无运动部件的优点，人体体表热量收集的刚性温差发电器，存在着器件可靠性差、制造成本高、柔性穿戴式湿差发电器的输出功率较低，无法满足穿戴式电子设备供电需求，严重制约了穿戴式温差发电器的应用。基于人体热能发电的优缺点世界各国科研人员从不同角度展开了深入研究。

关键词：人体热能发电 温差发电机 发电特性

中图分类号：TM619 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）09（a）-0027-02

1 微垫温差发电器

温差发电器是能将人体热能直接转换成电能的发电装置，穿戴式电子设备供电口温差发电器的工作原理是基于塞贝克效应，将两种不同的导体或半导体材料构成闭合回路，当两个接点温度不同时，将热能转变为电能的一种现象。温差发电具有5个优点：（1）无机械运动部件；（2）温差存在时，能将热能转化为电能；（3）体积小，便于携带；（4）性能稳定，寿命长；（5）安全无污染。目前，国内外已针对微型温差发电器的结构设计与制造，开展了广泛的研究。

2016年，ZhisongLu等人制造了一种可穿戴的纺织型温差发电器，制造工艺为：在纺织层上打孔，孔内沉积P型和N型纳米热电浆料，并涂覆银膏作为导电层。实验表明，在温差为5～35 K时，最大输出电压达到l0 mV，而且经100次弯曲和扭转，温差发电器的输出性能基本不发生改变，该纺织型温差发电器结构为穿戴式电子设备提供了新的供电方案。

2 微型温差发电器结构改进研究

2008年，美国的Bell指出，为拓展温差发电器的应用，大多数研究均集中在如何制备得到较高ZT值的热电材料方面，而对于温差发电器的结构设计和应用方面的研究比较少见。但是，拓展温差发电器的应用，不仅需要提高热电材料性能，结构设计和制备工艺优化也值得重点研究。近年来，研究者们设计并制造了各种各样的微型温差发电器，通过结构和制造工艺的优化来提高器件的热电性能。按照热电臂的结构类型和热流传递方向，将微型温差发电器的结构形式分为3类：薄膜、水平型；薄膜、垂直型；块体、垂直型3种温差发电器。

2.1 薄膜、水平型温差发电器

薄膜、水平型温差发电器通常将热电薄膜和电连接层加工在水平衬底上，利用热电臂冷热端的热量传递不均匀产生温差发电。热电臂一般采用磁控溅射、物理、化学沉积、丝网印刷等工艺加工成热电薄膜，从微加工技术上来看是比较成熟的。温差发电器结构通常为刚性，具有体积小、热阻大、电阻大的特点。为了増大冷热端温差，一般采用刻蚀工艺加工空穴或凹槽来降低冷端热量传导。

2010年，JinXie等人提出一种桥架式的平面型温差发电器结构设计，通过沉积磷和硼重掺杂的多晶硅热电薄膜和电连接层形成热电硅，为了优化热通量，热电薄膜嵌入真空腔中。温差发电器从底部的硅衬底吸收热量，硅衬底的真空腔能够阻止热量传递到热电臂冷端，而散热层的真空腔能够有效阻止热电臂的热端热量散失，同时能增强热电臂冷端散热，有效地提高了热电臂的冷热端温差。该温差发电器所占区域为1 cm2，当温差为5 K时，输出开路电压达到16.7 V，输出功率为1.3 μW。

2013年，TeahoonPark等人提出一种平面型柔性温差发电器，在薄膜基底上印刷P型和N型热电薄膜，热电树料为有机聚合物PP-PEDOT浆料。该柔性温差发电器能任意弯曲、祖转、剪巧，当指尖触碰温差发电器的一端时，输出电压达到590 μV有机聚合物型温差发电器具有良好的柔性，但缺点是热电性能较差。

2.2 薄膜、垂直型温差发电器

将薄膜、水平型温差发电器中的热电薄膜直立，就能得到薄膜、垂直型温差发电器。通过基底的结构设计将加工的热电薄膜呈一定角度直立，一般采用气相沉积、丝网印刷、磁控溅射等工艺制备，微加工技术比较困难。热电薄膜直立后，由于热电薄膜的热阻大，热损失较少，温差得以保持，但内阻过大也导致输出功率受到限制。

2011年，WeiW等人设计了一巧层叠形式的温差发电结构，通过电化学沉积在聚合薄膜基底上制备P型和N型基热电薄膜，薄膜热电臂的尺寸为3.6 mm×0.4 mm×20μm，热电薄膜串联形成阵列。将制造的热电阵列层通过基底结合，并将相邻两层的引出端进行电连接，形成层叠形式的温差发电器。该结构将热电臂直立，能有效保持住热电臂冷热端的温差。在温差为20 K时，该温差发电器的开路电压为630 mV，内阻为3.8 kΩ，最大输出功率为37.35 μW。

2013年，L.Francioso等人设计并制造了一种新型的波浪型温差发电器，如，以波浪型的PDMS作为支撑基底，聚酰亚胺紧密贴合在PDMS上，热电薄膜和电连接层通过磁控溅射工艺沉积在聚酰亚胺基底上，构成了一种柔性温差发电器。采用上述工艺制造100组热电对，温差为40 K时，最大输出功率为32 nW。

2.3 块体、垂直型温差发电器

块体、垂直型温差发电器中的热电臂通常被加工成圆柱体或立方体，通过银、铜导线进行串联或并联，热电臂的连接形式一般为热路并联，电路串联，每一组热电对两端的温差一致，通过简单串联就可提升输出电压。块体、垂直型温差发电器的热阻较小，体积较大，但具有极低的内阻，因此可产生较大的输出功率。

2014年，M.K.Kim等人设计并制造了一种新型网状结构的柔性温差发电器，可进行人体穿戴。通过喷墨打印工艺，将碲化铋基热电浆料打印在聚合纺织层的通孔内，并通过银导线进行电连接，形成一种网状结构的柔性温差发电器。该温差发电器面积为6 mm×25 mm，包含了12组热电对。当温差为15 K时，输出功达到224 nW。

2014年，SimJinKim等人设计并制造了一种基于玻璃纺织物的穿戴式温差发电器。采用玻璃纺织物作为热电材料的支撑层，相比传统的温差发电器结构，去除了陶瓷基底，大大降低了热源与热电臂之间的热阻，器件轻且薄（厚度仅为500 μm，重量0.13 g/cm2），具有高度柔性，适宜人体表面穿戴。当温差为50 K时，此温差发电器的功率密度达到3.8 mW/cm2。当弯曲半径小于20 mm，反复弯曲120次后，热电性能依然保持良好。通过以上工艺制备了11个热电对的额带结构，贴合人体皮肤进行发电。当环境温度为15 ℃时，能稳定输出2.9 mV开路电压。

3 结语

随着穿戴式电子市场的迅猛发展，微型化、柔性、持久供电方式已成为制约穿戴式电子设备技术发展的重要瓶颈。温差发电器作为一种清洁、安全、持久供电的供能方式，受到国内外的广泛关注。目前用于人体热量回收的温差发电器存在输出功率低、器件机械性能差、制造成本高等问题。针对以上问题进行深入研究，将是人体热能发电研究的主要方向。

参考文献

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