导读

近日，日本早稻田大学、大阪大学、静冈大学的研究人员成功开发了一种新型硅纳米线热电发电机，它具有较高的功率密度，且只需很小的温差，就足以驱动传感器或者实现间歇的无线通信。

背景

我们日常生活中越来越多的设备，例如扬声器、冰箱、汽车等等，“智能化”的程度都在日益增长。它们变得可以连接网络并且交换数据，形成了所谓的“物联网”（IoT）。顾名思义，物联网就是指各种物理对象之间的联网，简单说就是“物物互联”。

（图片来源于：维基百科）

随着人类逐渐向“物联网”社会迈进，物联网设备的“供电”问题显得越来越重要。采用电池的传统供电方案存在着一些弊端，例如：续航时间短、需要反复充电、安全性问题等。为此，笔者介绍过许多“自供电”方案，无需电池就可以为设备供电，其中一种非常典型的方案就是：小型化的“热电发电机”，它们特别适合“便携式”和“可穿戴”的物联网设备。

（图片来源：北卡罗莱纳州立大学）

由于导热率相对较低，但是导电率相对较高，硅纳米线逐渐成为一种颇具前景的热电材料。按照惯例，基于硅的热电发电机会采用约10纳米到100纳米的较长的纳米线，挂在腔体之上，用于切断旁路的热电流和保证纳米线上的温度差异。但是，腔体结构削弱了设备的机械强度，也增加了制造成本。

创新

为了解决上述问题，来自日本早稻田大学、大阪大学、静冈大学的研究人员设计并成功开发了一种新型硅纳米线热电发电机。实验表明，它具有高达12微瓦/平方厘米的功率密度，只需很小的温差，就足以驱动传感器或者实现间歇的无线通信。

技术

传统的热电发电机（左）与新开发的热电发电机（右）

（图片来源：早稻田大学）

这种新开发的热电发电机去掉了腔体结构，取而代之的是将纳米线减短至0.25纳米。仿真显示，设备的小型化可以改善热电性能。Watanabe 教授解释道，新的热电发电机除了具有新的结构，同时也具有与传统设备一样的功率密度。更令人惊喜的是，热变电阻得到了抑制，通过背面减薄工艺，热电机的硅基底从传统的750纳米变薄为50纳米，功率密度变为原来的10倍。

价值

早稻田大学教授、这项研究的首席研究员 Takanobu Watanabe 表示：“因为我们的发电机采用了与制造半导体集成电路同样的技术，其量产加工成本可以极大地削减。同样，它也为通往各种利用环境和身体热量的自供电物联网设备开辟一条新途径。例如，有朝一日，它将通过晨跑为你的智能手表充电。”

研究团队将会进一步改善发电机的性能，使之可以在各种条件下可以稳定地发电。Watanabe 希望，这项研究的成果将促进物联网设备供电技术的发展。

关键字

热电发电、物联网、可穿戴

参考资料

【1】https://www.waseda.jp/top/en-news/60151

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