具有高熱電優(yōu)值的3D打印SnSe熱電發(fā)電機

來源：OIL實驗室

自從硒化錫（SnSe）2.6±0.3的熱電優(yōu)值（ZT）被報道以來，該材料在熱電領域引起了廣泛關注。文獻中已經(jīng)報道了合成硒化錫的大量方法包括：溶劑熱法、熔化法、放電等離子體燒結、冷壓、熱蒸鍍等。這些技術大多都需要高溫、高壓和很長的制備時間。而印刷技術可以在室溫常壓的條件下實現(xiàn)，并且可以實現(xiàn)快速制備。目前已有研究者通過印刷技術制備碲化鉍薄膜，然而薄膜對于制造傳統(tǒng)結構的塊狀熱電發(fā)電機不利，通常來說塊體熱發(fā)電機的單個元件尺寸在1mm×1mm×2mm附近能獲得更好的性能。中高溫印刷的熱電材料尚未有與碲化鉍響應的研究。目前尚無印刷非碲化鉍材料的相關報道。迄今為止，SnSe的報道集中在單晶錠、多晶材料，和薄膜。

圖. 印刷SnSe的熱電表征。(a) 電導率；(b) 塞貝克系數(shù)；（c）功率因子；（d）熱導率；（e）4 %粘合劑的印刷SnSe和單晶a軸方向的電子熱導率和晶格熱導率；（f）熱電優(yōu)值。

近期研究者報道了類3D打印技術用于制造SnSe塊體熱電元件，并將這些SnSe塊體熱電元件用于制造標準的熱電發(fā)電機。等摩爾量的Sn和Se粉末添加到250mL不銹鋼研缽中，同時加入直徑10 mm的不銹鋼滾珠軸承，將其固定在行星式磨機中，并加入填砂的研磨碗保持平衡。將其旋轉參數(shù)設定為200rpm旋轉30min后靜置30 min，循環(huán)60次。通過混合羧甲基纖維素鈉（平均分子量250000）與去離子水按重量比（1％，2％，3％，4％和5％）混合制備粘合劑溶液。將粘合劑溶液（13g）與球磨粉末（37g）在離心混合器（1500rpm，60秒）中混合，然后攪拌混合物。重復離心混合和攪拌過程直至產(chǎn)生均勻的糊狀物。將漿料涂布在兩條16層厚的Kapton膠帶之間的玻璃上制備薄膜，在熱板（120℃，10分鐘）上干燥后分離剝離以產(chǎn)生22mm×10mm尺寸的樣品。

通過從室溫以0.5K/min的速度加熱至873 K來進一步固化樣品，隨后自然冷卻至室溫。與現(xiàn)有的熱電塊體制造技術相比，類3D打印技術成本低、易操作、可以批量化和快速生產(chǎn)。研究者們在很寬的溫度范圍內(nèi)制備并表征了塊體SnSe熱電元件。由具有4％有機粘合劑的油墨印刷而成的元件具有最高的性能：在758K溫度下的ZT值為1.7（±0.25）。這是任何熱電材料已報道的最高熱電優(yōu)值，也是在這個溫度下的首個塊體打印材料。打印Z型串聯(lián)熱發(fā)電機最大可以在772K時輸出20 μW的功率，和1.7熱電優(yōu)值應表現(xiàn)出的輸出功率不相匹配的原因包含：SnSe和銅導電通道之間的接觸不良、未達到先前的固化溫度等。

相關論文：
Matthew R. Burton, ShahinMehraban, David Beynon, James McGettrick, Trystan Watson, Nicholas P. Lavery,and Matthew J. Carnie, 3D Printed SnSe Thermoelectric Generators with HighFigure of Merit, Advanced Energy Materials, 2019, 9, 1900201.