日本东海大学工学部应用化学科的高尻雅之教授的研究团队，开发出了一种单壁碳纳米管（单壁CNT）热电元件，仅更换基板就能将同一薄膜元件变为“电源”或“热流传感器”。相关成果已发表在《Advanced Science》上。
图1 在透红外线基板（左）和吸收红外线基板（右）上粘附相同薄膜时的表面温度。左图中心保持高温，右图中心变为低温。这一差异决定了电压的方向。数值取自发表论文。
既往热电元件为了将热能转化为电能，必须保持一侧高温、另一侧低温，而维持低温则需要在低温侧设置冷却板或风扇，因此安装位置和用途受到限制。此外，以往基板仅被视作承载薄膜的基座，其对决定元件功能方面的作用一直未被充分阐明。
此次研究团队制备了只需整体均匀加热即可工作的单壁CNT薄膜元件，并将薄膜粘附在三种不同的基板上进行了比较。结果发现，即使薄膜、电路和粘附方式相同，仅通过更换基板即可改变元件的工作特性。在透过红外线的基板（COP）上，电压以恒定值持续输出，元件可作为电源工作；而在吸收红外线的基板（PEN）上，仅在温度变化期间产生反向电压，元件可作为捕捉热流变化的热流传感器工作。此外，研究发现基板的“对红外线的吸收程度”和“不易升温的程度”这两种性质共同决定了元件的工作特性。在任一基板下，元件内部都会自然产生1～3℃的温差，因此无需像既往元件那样配备单侧冷却装置。
此次开发的元件具有在同一薄膜内连接两种导电性质不同区域的结构。元件中心温度是否高于周边，会改变电流流向，因此产生的电压方向也随之变化。这一差异产生了电源和热流传感器两种不同的功能。
其中，基板是实现上述特性的关键。单壁CNT薄膜几乎可以吸收全部红外线，而基板对红外线的吸收率因材质和厚度而异。COP可透过45.8%的红外线。红外线穿过基板直接加热薄膜，因此元件中心部温度升高，从而发挥电源功能。另一方面，易于吸收红外线的PEN基板（透过率0.2%）因基板先升温，元件中心部相对变为低温。不过，这一状态在元件整体温度趋于一致时便会消失，因此电压仅在温度变化期间出现。
此外，电压的持续时长由基板的“不易升温程度”决定。PEN比PI更厚且比热更大，因此达到温度均匀需要更长时间，相应地产生更大的电压。也就是说，该元件的工作特性由两种因素决定：基板对红外线的吸收程度（决定电压方向）和基板不易升温的程度（决定电压大小和持续时长）。
现阶段元件输出的电压还仅为0.38毫伏，输出功率仅为0.47纳瓦。要驱动无线通信元件等，需要将约100对元件串联并搭配升压电路。本次研究虽已证明无需冷却装置、仅通过更换基板即可在发电功能与热流传感功能之间切换，但实际应用还需进一步提升性能。研究团队表示，今后除提高输出性能外，还将通过封装技术确保长期可靠性，并在模拟实际使用环境的加热-冷却循环条件下进行性能评估。
高尻教授表示：“刚观测到电压方向反转的时候，起初我怀疑是测量误差。但薄膜和电路都没有改动，原因只能是基板。此前，我们一直将基板视为支撑薄膜的底座，但实际上它在决定元件功能方面发挥着重要作用。既往热电元件受限于必须配置冷却端，安装场所受到制约。如果不需要冷却装置，就意味着安装地点不受限制。只需贴在工厂管道或电池组表面，就能检测出热异常。我们希望沿着这个方向继续推进元件开发。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：Advanced Science
论文：Substrate Engineering of SWCNT p-n Junctions for Dual-Mode Power Generation and Heat-Flux Sensing
DOI：10.1002/advs.76889
