柔性电子 --Conductive polymers: Creating their niche in thermoelectric domain

关键字： Thermoelectric Power Generator(TEG)

讨论内容：

• (i) factors affecting thermoelectric performance
• (ii) strategies required for improvement of the power factor(due to inherent low thermal conductivity) 提高功率因子的策略
• (iii) challenges

figure-of-merit: 品质因数

低的转换效率（一般低于6%）高花费，极少有商业应用。寻求替换材料，比如一些有机材料，

conducting polymers(CPs) ：free-standing films， ease of patternizing on various types of large-area flexible substrates，and compatibility to blend with inorganic materials

[3, 6-12]

[7]给出电荷传输的基本概念。

Thermoelectric efficiency( $\eta$)与材料品质因数( $ZT$)直接相关：

ZT值，又叫热电优值（thermoelectric figure of merit）。它是衡量热电材料热电性能的指标和量度，Z是材料的热电系数（单位是/k），有量纲，T是热力学温度,单位是k。ZT乘积来表示热电性能的高低（ZT值越高，热电性能越好）ZT值（热电优值）怎么换算成转换效率？

$\eta = \frac{T_h - T_c}{T_h}\left[ \frac{\sqrt{1 + ZT_{avg}} -1 }{ \sqrt{1 + ZT_{avg}} + \frac{T_c}{T_h} }\right]$

$T_c和T_h$是冷端和热端的温度， $T_{avg} =\frac {T_c +T_h}2$, $ZT_{avg}$通过对 $T_c和T_h$之间所有的峰值ZTs积分获得，在特定温度 $T$下,材料的 $ZT$:
$ZT=\alpha^2\sigma T / \kappa$
$\alpha$是Seebeck coefficient， $\sigma$是导电率， $\kappa$是材料的热导率， $\kappa$有两部分构成，载流子(charge-carriers $\kappa_e$)和晶格(lattice, $\kappa_l$)

要实现高的ZT和转换效率 ( $\eta$),需要满足：

• (i) 材料有高的塞贝克系数 从而有高的电输出
• (ii) 高的导电率，从而有大的短路电流和低的焦耳热
• (iii) 低的热导率，从而有大的温差

掺杂(doping)可以增加导电率，但是会降低塞贝克系数。
以下要讨论一些方法，优化 $\alpha和\sigma$而不改变材料的 $\kappa$来强化转化效率。

从转换效率 $\eta$的式子中可以看出， $\eta$与卡诺循环效率( $\Delta T/ T$)和热电优值(ZT)有关,而 $\Delta T/ T$在室温下应用中非常小，这表明在利用热能方面，与现在昂贵的TE模块相比，基于CP的TEGs会更为实用
在150摄氏度的情况下，考虑CPs的稳定性， 假设热端温度为100摄氏度，冷端温度约为27摄氏度， $ZT_{avg}$~1.如图1所示，有机热电效率(organic thermoelectric generators OTEGs)的转换效率约为4%

室温下高的ZT值， 0.42[72]和0.2[91]对于P-和n-type的CPs已经实现。

2. CPs中热和电转换原理