随着人工智能和5G技术的快速发展，智能可穿戴设备备受关注。然而，传统电源如锂电池需要频繁充电或更换，限制了其长期使用。柔性热电发电机因其便携、轻质、环境友好、响应快和可靠性高等优点而日益重要，它们能够将人体皮肤、管道等非平面热源以及太阳光的低品位废热直接转换为电能，在能量收集、健康监测和智能传感领域展现出广阔前景。但当前柔性热电材料仍面临器件制备工艺复杂和性能提升的挑战。
近日，上海应用技术大学杜永教授、柯勤飞教授和澳大利亚南昆士兰大学洪敏教授合作，通过可扩展且经济高效的直写打印技术，成功制备出多种柔性热电薄膜，包括Ag₂Se/甲基纤维素、PEDOT:PSS@Ag₂Se/甲基纤维素以及PVP@Ag₂Se/甲基纤维素。经过冷压和退火处理后，PVP@Ag₂Se/甲基纤维素薄膜在400 K时实现了2191.5 µW·m⁻¹·K⁻²的功率因子，是目前所有通过直写打印制备的柔性有机/无机复合薄膜中的最高值。研究还通过该技术直接打印出三腿柔性热电发电机，在36.1 K温差下功率密度达22.1 W/m²，并成功应用于低品位热回收、位置识别、光-热-电转换及呼吸监测等多种场景。相关论文以“Versatile polymer-coated Ag2Se thermoelectric materials and devices for multi-scenario applications developed by direct-ink printing”为题，发表在Nature Communications上，论文第一作者为Qin Jie。
图1展示了PVP@Ag₂Se/MC复合薄膜与原型器件的制备流程及其多场景应用示意图。薄膜内部形成的异质界面、孔隙、晶界和位错等结构有助于同时提升塞贝克系数和电导率，并降低热导率。器件设计包括用于光-热-电转换的TiO₂涂层结构、位置检测和呼吸监测等实用功能模块，显示出其广泛的应用潜力。
图2系统评估了三种薄膜的热电性能。PVP@Ag₂Se/MC薄膜在300–420 K温度范围内表现出最优异的电导率、塞贝克系数和功率因子。通过霍尔效应测量和Pisarenko曲线分析，发现PVP修饰有效提高了载流子浓度和有效质量，从而协同优化了电输运性能。该薄膜在400 K时功率因子达2191.5 µW·m⁻¹·K⁻²，ZT值在300 K
图3通过电子显微镜深入揭示了薄膜的微观结构。SEM和TEM图像显示PVP成功包覆在Ag₂Se纳米线表面，形成清晰界面。退火后，纳米线烧结形成导电网络，同时薄膜中存在的孔隙、过渡晶界和位错等缺陷有效增强了声子散射，从而降低热导率。这些结构特征共同促成了其优异的热电性能。
图4对薄膜的柔韧性进行了系统评估。在弯曲半径4 mm下经过1000次弯曲后，PVP@Ag₂Se/MC薄膜的电导率和塞贝克系数仍分别保持初始值的93.76%和96.88%，表现出卓越的机械稳定性和柔韧性，优于多数已报道的柔性热电材料。其良好柔性源于甲基纤维素和PVP的固有柔韧性、内部多孔结构以及薄膜与尼龙基底间的牢固界面结合。
图5展示了通过直写打印制备的三腿柔性热电发电机的输出性能。在36.1 K温差下，器件的开路电压达15.66 mV，最大输出功率为2842.57 nW，功率密度为22.1 W/m²，优于多数同类柔性器件。在经过1000次弯曲后，电阻变化率小于7%，显示出良好的机械可靠性。图5f还展示了器件贴附于人体前臂时，在约1.8 K
图6进一步展示了该热电发电机在多场景下的实际应用。集成于口罩中的器件能够通过呼吸气流引起的温差变化监测呼吸频率，区分正常与快速呼吸状态。涂覆TiO₂的光热电器件可将光能转换为电能，其开路电压随光强增强而显著上升，且在自然光下响应迅速、稳定性好。此外，环形器件和分区触摸识别结构也显示出在位置识别和局部热源检测方面的灵敏性与实用性。
