AEM：载流子分离提升n型Ag2Se基柔性薄膜的热电性能

自供电技术对于物联网时代可穿戴设备和柔性电子器件的发展具有重要意义，半导体热电材料具有的塞贝克效应能够将低品位热量（如人体热量或环境热量）直接转换为电能实现自供电。n型Ag₂Se薄膜是室温及近室温区内的高性能热电材料之一。然而，Ag₂Se的低载流子迁移率限制了其高电导率和高功率因数的进一步提升，进而使其作为柔性热电器件应用时表现出不够高的功率密度。

针对这一问题，陕西滚球体育 大学张荔副教授和昆士兰滚球体育 大学陈志刚教授提出了一种载流子分离的新策略用于提升Ag₂Se薄膜的电导率和功率因数，将绝缘电子供体聚乙烯亚胺（PEI）与Ag₂Se复合， 其中PEI的不均匀分布可以吸引n型Ag₂Se基体中的空穴，而分离的少数载流子基于库仑斥力能够避免对n型Ag₂Se中电子显著散射，进而优化载流子迁移率，实现了Ag₂Se基热电薄膜创纪录的载流子迁移率~1551.99 cm²V⁻¹s⁻¹和优异的功率因子~22.39 W m⁻¹K⁻²。同时，该复合薄膜在6 mm弯曲半径1000次弯曲后电阻仅降低了6.5 %，表现出优异的柔性。此外，该复合薄膜组装的柔性热电器件表现出73.93 W m⁻²的优异归一化功率密度，高于已报道的其他Ag₂Se基热电薄膜器件。相关研究发表于《Advanced Energy Materials》。

图1、Ag₂Se基体的结构和组成：a）x mol% PEI/Ag₂Se（x=0、6、12、18）薄膜的X射线衍射（XRD）图谱；6 mol% PEI/Ag₂Se复合薄膜中b）Ag元素和c）Se元素扫描的X射线光电子能谱（XPS）图谱；d）6 mol% PEI/Ag₂Se复合薄膜的背散射电子（BSE）图像和相应的能量色散谱（EDS）图谱；e）x mol% PEI/Ag₂Se（x=0、6、12、18）薄膜的BSE图像和f）取点处的典型EDS图谱；g）EDS统计分析x mol% PEI/Ag₂Se（x=0、6、12、18）薄膜的Ag/Se比值；h）6 mol% PEI/Ag₂Se复合薄膜的高分辨率透射电子显微镜（TEM）图像和相应的i）快速傅里叶变换（FFT）图像。

图2、PEI在复合薄膜中的分布：a）EDS统计分析了x mol% PEI/Ag₂Se（x=0、6、12、18）薄膜的C元素化学计量比；b）原始Ag₂Se薄膜和6 mol% PEI/Ag₂Se复合薄膜（插图显示了PEI的结构式）的傅里叶变换红外（FTIR）光谱；c）x mol% PEI/Ag₂Se（x=0、6、12、18）薄膜的扫描电子显微镜（SEM）图像；d）PEI不均匀分布的形成过程：d1）6 mol% PEI/Ag₂Se纳米线的高分辨TEM图像，d2）退火过程中PEI/Ag₂Se纳米线生长的示意图，d3）6 mol% PEI/Ag₂Se复合薄膜的高分辨TEM图像。

图3、PEI/Ag₂Se复合薄膜的载流子传输特性、表面电势和机理：x mol% PEI/Ag₂Se（x=0、6、12、18）薄膜在300 K时的a）电导率（σ），b）载流子浓度（n）和c）载流子迁移率（μ）；6 mol% PEI/Ag₂Se复合薄膜的d）原子力显微镜（AFM）相图和e）开尔文探针力显微镜（KPFM）电势图像；f）载流子分离策略示意图。

图4、PEI/Ag₂Se复合薄膜的热电性能和弯曲稳定性：x mol% PEI/Ag₂Se（x=0、6、12、18）薄膜在300 K时的a）Seebeck系数（S），b）由单抛物带（SPB）模型计算的n相关|S|与实验测量值的比较，c）功率因子（S²σ）；d）6 mol% PEI/Ag₂Se复合薄膜的σ、μ和e）S²σ与文献值的比较；f）x mol% PEI/Ag₂Se（x=0、6）薄膜在半径为6 mm时弯曲1000次后电阻的变化。

图5、6 mol% PEI/Ag₂Se薄膜组成的柔性热电器件（FTED）的性能：a）不同ΔT开路电压（V_oc）的理论值和测量值随温差ΔT的变化，插图显示了FTED的光学照片；不同ΔT下测量的b）输出电压（V_output）和c）输出功率（P）与负载电流（I）函数；d）最大输出功率密度（ω_max）与ΔT的函数；e）基于PEI/Ag₂Se复合薄膜的FTED的归一化ω与文献值的比较；f）PEI/Ag₂Se基FTED的实际应用场景及相应的红外图像。

原文链接：https://doi.org/10.1002/aenm.202401890