DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-026-69120-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41629356
تاريخ النشر: 2026-02-02
المؤلف: Shuaihang Hou وآخرون
الموضوع الرئيسي: المواد والأجهزة الحرارية الكهربائية المتقدمة
نظرة عامة
تقدم البحث نهجًا جديدًا لمولدات الطاقة الشمسية الحرارية الكهربائية (STEGs) من خلال دمج أفلام Ag\(_2\)Se الحرارية الكهربائية كعنصر ماص للضوء ضمن بنية متعددة الطبقات. يتضمن هذا التصميم طبقة عاكسة تحتية للأشعة تحت الحمراء وطلاء مضاد للانعكاس مرئي على السطح، مما يعزز بشكل جماعي كفاءة تحويل الطاقة الضوئية الحرارية لـ Ag\(_2\)Se إلى 87.6%. يحقق المولد المرن على شكل حلقة فرق درجة حرارة أقصى يبلغ 19.6 كلفن وكثافة طاقة تبلغ 0.17 ميكرووات سم\(^{-2}\) تحت إشعاع شمسي واحد، مع الحفاظ على طاقة خرج قصوى مستقرة تبلغ حوالي 1 ميكرووات خلال التعرض الطويل في الهواء الطلق.
تشير النتائج إلى أن هذا التصميم المتكامل لا يحسن فقط كفاءة تحويل الطاقة الشمسية، بل يظهر أيضًا مرونة المواد الحرارية الكهربائية ذات الفجوة الضيقة في التطبيقات الضوئية الحرارية. بينما كافحت مولدات الطاقة الشمسية التقليدية (STEGs) لتحقيق كفاءات تتجاوز 9.6%، يبرز هذا النهج المبتكر الإمكانية لمولدات الطاقة الشمسية المرنة لتلبية احتياجات الطاقة للإلكترونيات منخفضة الطاقة والأجهزة القابلة للارتداء، على الرغم من الفجوة الحالية في الكفاءة مقارنة بتقنيات الطاقة الشمسية الأخرى مثل خلايا الطاقة الحرارية الضوئية. بشكل عام، يقترح الدراسة مسارًا واعدًا لتعزيز العملية والفعالية لمولدات الطاقة الشمسية الحرارية الكهربائية (STEGs) في التطبيقات الواقعية.
طرق
توضح قسم “الطرق” في ورقة البحث التصميم التجريبي والتقنيات التحليلية المستخدمة للتحقيق في سؤال البحث. استخدمت الدراسة نهجًا كميًا، مع دمج التحليلات الإحصائية لتقييم البيانات التي تم جمعها من تجارب مختلفة. تضمنت المنهجيات المحددة تجارب مختبرية محكومة، حيث تم التلاعب بالمتغيرات بشكل منهجي لملاحظة تأثيراتها على النتائج المعنية.
شملت جمع البيانات استخدام أدوات موحدة لضمان الموثوقية والصلاحية، مع التركيز على تقليل التحيزات. تم إجراء التحليل باستخدام برامج إحصائية مناسبة، مع تطبيق تقنيات مثل تحليل الانحدار واختبار الفرضيات لاستنتاج النتائج من البيانات. يبرز القسم صرامة الطرق لدعم النتائج المقدمة في الدراسة، مما يضمن أن النتائج قابلة للتكرار والتعميم.
نتائج
في هذه الدراسة، تم ترسيب أفلام Ag₂Se بنجاح على ركائز بوليميد مرنة عبر تقنية الرش المغناطيسي، مع تحسين الأداء الحراري الكهربائي (TE) من خلال تغيير محتوى السيلينيوم (Se) في الهدف. أظهرت النتائج أن زيادة محتوى Se أدت إلى انخفاض في تركيز الحاملات ($n_H$) من $6.3 \times 10^{18} \, \text{cm}^{-3}$ إلى $4.8 \times 10^{18} \, \text{cm}^{-3}$ لـ Ag₂Se و Ag₂Se₁.₀₂، على التوالي، بينما تحسنت حركة هول ($\mu_H$) بشكل كبير، حيث وصلت إلى $1414 \, \text{cm}^2 \, \text{V}^{-1} \, \text{s}^{-1}$. يُعزى هذا التحسن في الحركة إلى الاتجاه العالي وحجم الحبيبات الكبير للأفلام، مما يقلل من تشتت الحاملات. كما زاد معامل سيبيك ($S$) من $-132 \, \mu\text{V} \, \text{K}^{-1}$ إلى $-152 \, \mu\text{V} \, \text{K}^{-1}$ مع زيادة محتوى Se، بينما بلغ عامل الطاقة ($PF$) ذروته عند $25.7 \, \mu\text{W} \, \text{cm}^{-1} \, \text{K}^{-2}$ لفيلم Ag₂Se₁.₀₂.
علاوة على ذلك، تم تنفيذ تصميم متعدد الطبقات لتعزيز كفاءة تحويل الطاقة الضوئية الحرارية، حيث تم تحقيق أقصى درجة حرارة ($T_{max}$) تبلغ $85 \, °C$ تحت إضاءة مصباح Xe و $93 \, °C$ في ظروف الهواء الطلق. زادت كفاءة تحويل الطاقة الضوئية الحرارية من $31.2\%$ للفيلم النقي إلى $87.6\%$ للهيكل متعدد الطبقات. أظهر مولد الطاقة الشمسية الحرارية الكهربائية المتكامل (STEG) كثافة طاقة خرج قصوى تبلغ $0.17 \, \mu\text{W} \, \text{cm}^{-2}$ تحت إشعاع شمسي واحد، مع جهد دائرة مفتوحة يتراوح من $14.5 \, \text{mV}$ إلى $23.7 \, \text{mV}$ عند اختباره في ظروف العالم الحقيقي. تؤكد هذه النتائج على إمكانيات استراتيجية التصميم متعدد الطبقات لتقدم مولدات الطاقة الشمسية الحرارية الكهربائية المرنة في تطبيقات جمع الطاقة.
مناقشة
في هذا القسم، يوضح المؤلفون تخليق وتوصيف كتل Ag\(_2\)Se متعددة البلورات والتصنيع اللاحق لأفلام Ag\(_2\)Se المرنة للتطبيقات الحرارية الكهربائية. تم إنتاج الكتل عن طريق ختم الفضة عالية النقاء والسيلينيوم في أمبول زجاجي، والذي تم تسخينه إلى 1323 كلفن للذوبان والتجانس، تلاه تبريد طبيعي. تم إدخال السيلينيوم بنسب ذرية زائدة متغيرة (1 at%، 2 at%، و3 at%)، وتم دمج الخليط الناتج في أهداف الرش عبر عملية تلبيد البلازما الشرارية عند 573 كلفن تحت ضغط 30 ميجا باسكال.
تم إجراء ترسيب أفلام Ag\(_2\)Se على ركائز بوليميد باستخدام الرش المباشر للتيار، مع إجراء عملية تلدين لاحقة لتعزيز البلورية. تضمنت تقنيات التوصيف قياسات معامل سيبيك، الموصلية الكهربائية، ومعاملات هول، إلى جانب التحليل الطيفي للامتصاص والمجهر الإلكتروني الناقل للتحليل الشكلي. يختتم القسم بوصف عملية تصنيع الجهاز لمولد حراري كهربائي على شكل حلقة (STEG)، موضحًا ترسيب طبقات مختلفة، بما في ذلك Sb\(_2\)Te\(_3\) من النوع p و Ag\(_2\)Se من النوع n، وتنفيذ طلاء مضاد للانعكاس لتحسين الأداء.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-026-69120-w
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41629356
Publication Date: 2026-02-02
Author(s): Shuaihang Hou et al.
Primary Topic: Advanced Thermoelectric Materials and Devices
Overview
The research presents a novel approach to solar-thermoelectric generators (STEGs) by integrating Ag\(_2\)Se thermoelectric thin films as the light-absorbing component within a multilayer architecture. This design includes a bottom infrared-reflective layer and a surface visible anti-reflective coating, which collectively enhance the photothermal conversion efficiency of Ag\(_2\)Se to 87.6%. The flexible, ring-shaped generator achieves a maximum temperature difference of 19.6 K and a power density of 0.17 μW cm\(^{-2}\) under 1-sun irradiation, maintaining a stable peak output power of approximately 1 μW during prolonged outdoor exposure.
The findings indicate that this integrated design not only improves the efficiency of solar energy conversion but also demonstrates the versatility of narrow-bandgap thermoelectric materials in photothermal applications. While conventional STEGs have struggled to achieve efficiencies above 9.6%, this innovative approach highlights the potential for flexible STEGs to meet the energy demands of low-power electronics and wearable devices, despite the existing efficiency gap compared to other solar energy technologies like thermophotovoltaic cells. Overall, the study suggests a promising pathway for advancing the practicality and effectiveness of STEGs in real-world applications.
Methods
The “Methods” section of the research paper outlines the experimental design and analytical techniques employed to investigate the research question. The study utilized a quantitative approach, incorporating statistical analyses to evaluate the data collected from various experiments. Specific methodologies included controlled laboratory experiments, where variables were systematically manipulated to observe their effects on the outcomes of interest.
Data collection involved the use of standardized instruments to ensure reliability and validity, with a focus on minimizing biases. The analysis was conducted using appropriate statistical software, applying techniques such as regression analysis and hypothesis testing to draw conclusions from the data. The section emphasizes the rigor of the methods to support the findings presented in the study, ensuring that the results are both replicable and generalizable.
Results
In this study, Ag₂Se films were successfully deposited on flexible polyimide substrates via magnetron sputtering, with thermoelectric (TE) performance optimized by varying selenium (Se) content in the target. The results indicated that increasing Se content led to a decrease in carrier concentration ($n_H$) from $6.3 \times 10^{18} \, \text{cm}^{-3}$ to $4.8 \times 10^{18} \, \text{cm}^{-3}$ for Ag₂Se and Ag₂Se₁.₀₂, respectively, while Hall mobility ($\mu_H$) significantly improved, reaching a remarkable $1414 \, \text{cm}^2 \, \text{V}^{-1} \, \text{s}^{-1}$. This enhancement in mobility is attributed to the high orientation and large grain size of the films, which reduce carrier scattering. The Seebeck coefficient ($S$) also increased from $-132 \, \mu\text{V} \, \text{K}^{-1}$ to $-152 \, \mu\text{V} \, \text{K}^{-1}$ with higher Se content, while the power factor ($PF$) peaked at $25.7 \, \mu\text{W} \, \text{cm}^{-1} \, \text{K}^{-2}$ for the Ag₂Se₁.₀₂ film.
Furthermore, a multilayer design was implemented to enhance photothermal conversion efficiency, achieving a maximum temperature ($T_{max}$) of $85 \, °C$ under Xe lamp illumination and $93 \, °C$ in outdoor conditions. The photothermal conversion efficiency increased from $31.2\%$ for the pristine film to $87.6\%$ for the multilayer structure. The integrated ring-shaped solar-thermoelectric generator (STEG) demonstrated a maximum output power density of $0.17 \, \mu\text{W} \, \text{cm}^{-2}$ under 1 sun irradiation, with an open-circuit voltage ranging from $14.5 \, \text{mV}$ to $23.7 \, \text{mV}$ when tested in real-world conditions. These findings underscore the potential of the multilayer design strategy for advancing flexible STEGs in energy harvesting applications.
Discussion
In this section, the authors detail the synthesis and characterization of polycrystalline Ag\(_2\)Se ingots and the subsequent fabrication of flexible Ag\(_2\)Se films for thermoelectric applications. The ingots were produced by sealing high-purity silver and selenium in a quartz ampoule, which was heated to 1323 K for melting and homogenization, followed by natural cooling. The introduction of selenium with varying excess atomic ratios (1 at%, 2 at%, and 3 at%) was performed, and the resulting mixture was consolidated into sputtering targets via spark plasma sintering at 573 K under 30 MPa pressure.
The deposition of the Ag\(_2\)Se films was conducted on polyimide substrates using direct current sputtering, with subsequent annealing to enhance crystallinity. Characterization techniques included measurements of the Seebeck coefficient, electrical conductivity, and Hall coefficients, alongside absorption spectroscopy and transmission electron microscopy for morphological analysis. The section concludes with a description of the device fabrication process for a ring-shaped thermoelectric generator (STEG), detailing the deposition of various layers, including p-type Sb\(_2\)Te\(_3\) and n-type Ag\(_2\)Se, and the implementation of an anti-reflection coating to optimize performance.