1998 年，日本著名製表公司精工（SEIKO）曾釋出過一款由體溫供電的石英錶 Seiko Thermic，做出了將熱電技術應用於手錶的一次較早嘗試 —— 不過在一顆普通鈕釦電池就能支援石英錶 1-3 年續航的年代，這款產品即便令人眼前一亮，最終也並未獲得商業成功。

後來在 2016 年，矽谷初創公司Matrix Industries 針對智慧手錶的續航問題，在眾籌網站 Indiegogo 上釋出了世界上第一款純熱電驅動的智慧手錶Powerwatch，引發不少關注。

事實上，將體溫發電與可穿戴裝置相結合直至今天仍是一項創新之舉。

最近，一組哈工大研究人員就開發出了一種小型可穿戴裝置，可將人體皮膚髮出的熱量轉化為電能。

把裝置戴在手腕上，可以實現為 LED 燈供電。

2021 年 4 月 29 日，相關研究成果發表於《細胞報告物理科學》（Cell Reports Physical Science）雜誌，題為 A wearable real-time power supply with a Mg3Bi2-based thermoelectric module（一種基於 Mg3Bi2 熱電模組的可穿戴實時電源）。

柔性「體溫發電機」

先來了解一下何謂「熱電技術」。

在兩種金屬構成的迴路中，如果金屬結點處溫度不同，處在較溫暖區域的電子受熱移動至較冷的區域，該回路就會產生一個電勢差（電壓），在連線它們的導線上產生電流。

簡而言之，這項技術就是利用熱電裝置的溫度差產生電壓。

我們此前曾介紹，由於電流較弱，熱電技術通常只能為能量需求不大的裝置供電，而可穿戴裝置基本部件的功耗一般在 100nW（納瓦）到 10mW（毫瓦）之間（如下圖所示），基於此，將這項技術應用於可穿戴裝置和人體植入裝置將是絕佳的選擇。

在研究人員看來，「熱電發電機」（Thermoelectricgenerators，以下簡稱 TEG）為可穿戴電子裝置供能在未來將是一項很有前景的應用。

TEG 將是傳統電池的一個很好的替代，原因在於其獨特的特性，比如無工作流體、無運動部件、操作過程安靜、可靠、便攜等等。

正如研究人員所言：

TEG 可以收集體溫這樣的分散式低品質熱量，使之轉化為電能。

但值得關注的是，傳統的剛性 TEG 難以相容可穿戴產品，因此研究人員的目標便是設計一種柔性 TEG（flexible TEG，即 FTEG）。

實時為 LED 燈供電

材料方面，研究人員設計的 FTEG 包括 p 型碲化銻（Sb2Te3）和 n 型鉍化鎂（Mg3Bi2），以及多孔聚氨酯（PU）基體和柔性印刷電路板（FPCB）電極。

我們注意到，n 型 Mg3Bi2 基材料被學術界認為是近室溫應用的優質材料。另外據《中國科學報》報道：

市面上的 TEG 在很大程度上依賴於稀有金屬碲，而新設計用鎂基材料部分取代了碲基材料，這可以降低大規模生產的成本。

下圖展示的是材料的電阻率（ρ）、塞貝克係數（S，即半導體材料的溫差電動熱）、功率因數（PF）、熱導率（κ）和 ZT（品質因數）值。

具體制造過程則是：

將 FPCB 電極貼上在陶瓷基板上；

用鐳射標記去除多餘的 PI 膜（聚醯亞胺薄膜）；

把 n 型和 p 型熱電支腿交替佈置在基板上；

將熱電模組剝離基板，用 PU 填充。

最終資料表明，這款 FTEG 裝置具有較低的熱旁路和高效的熱接觸面，在環境溫度為 16 攝氏度（氣流速度1.1m/s）時將裝置放在手臂上，峰值功率密度約為 20.6μW/cm2；在溫差 -223.15 攝氏度時，峰值功率密度為 13.8 mW/cm2。

不僅如此，該裝置在 13.4 mm 的彎曲半徑下承受 10000 次彎曲迴圈後無顯著變化（小於 1.4%）。

研究人員將尺寸為 28.8 × 115.2 × 2.5 mm3 的 FTEG 裝置放置在手臂上，成功點亮了 LED（發光二極體）燈 —— 這表明該 FTEG 裝置具有為可穿戴裝置提供實時電源的潛力。

關於作者

論文顯示，研究團隊來自哈爾濱工業大學物理學院、微納光電資訊系統理論與技術重點實驗室、材料科學與工程學院材料基因組與大資料研究所柔性印刷電子技術中心、先進焊接與連線國家重點實驗室。

論文通訊作者為哈工大（深圳）材料科學與工程學院教授張倩。

【圖源哈工大（深圳）官網】

公開資訊顯示，張倩教授課題組研究方向為熱電半導體能源材料，包括熱電材料合成、電聲輸運調控、熱電器件相關研究等。

張倩教授 2009 年於浙江大學材料科學與工程學院獲博士學位，2009-2015 年先後於新加坡國立大學化學系、波士頓學院物理系、休斯頓大學物理系從事博士後研究工作，在國際知名刊物上發表 SCI 論文 70 餘篇，第一作者 / 通訊作者論文 40 餘篇，4 篇論文入選 ESI 高被引論文。