導讀
近日，日本早稻田大學、大阪大學、靜岡大學的研究人員成功開發了一種新型硅納米線熱電發電機，它具有較高的功率密度，且只需很小的溫差，就足以驅動傳感器或者實現間歇的無線通信。
背景
我們日常生活中越來越多的設備，例如揚聲器、冰箱、汽車等等，“智能化”的程度都在日益增長。它們變得可以連接網絡並且交換數據，形成了所謂的“物聯網”（IoT）。顧名思義，物聯網就是指各種物理對象之間的聯網，簡單說就是“物物互聯”。
隨著人類逐漸向“物聯網”社會邁進，物聯網設備的“供電”問題顯得越來越重要。採用電池的傳統供電方案存在著一些弊端，例如：續航時間短、需要反覆充電、完全性問題等。為此，筆者介紹過許多“自供電”方案，無需電池就可以為設備供電，其中一種非常典型的方案就是：小型化的“熱電發電機”，它們特別適合“便攜式”和“可穿戴”的物聯網設備。
由於導熱率相對較低，但是導電率相對較高，硅納米線逐漸成為一種頗具前景的熱電材料。按照慣例，基於硅的熱電發電機會採用約10納米到100納米的較長的納米線，掛在腔體之上，用於切斷旁路的熱電流和保證納米線上的溫度差異。但是，腔體結構削弱了設備的機械強度，也增加了製造成本。
創新
為了解決上述問題，來自日本早稻田大學、大阪大學、靜岡大學的研究人員設計併成功開發了一種新型硅納米線熱電發電機。實驗表明，它具有高達12微瓦/平方釐米的功率密度，只需很小的溫差，就足以驅動傳感器或者實現間歇的無線通信。
技術
傳統的熱電發電機（左）與新開發的熱電發電機（右）
這種新開發的熱電發電機去掉了腔體結構，取而代之的是將納米線減短至0.25納米。仿真顯示，設備的小型化可以改善熱電性能。Watanabe 教授解釋道，新的熱電發電機除了具有新的結構，同時也具有與傳統設備一樣的功率密度。更令人驚喜的是，熱變電阻得到了抑制，通過背面減薄工藝，熱電機的硅基底從傳統的750納米變薄為50納米，功率密度變為原來的10倍。
價值
早稻田大學教授、這項研究的首席研究員 Takanobu Watanabe 表示：“因為我們的發電機採用了與製造半導體集成電路同樣的技術，其量產加工成本可以極大地削減。同樣，它也為通往各種利用環境和身體熱量的自供電物聯網設備開闢一條新途徑。例如，有朝一日，它將通過晨跑為你的智能手錶充電。”
研究團隊將會進一步改善發電機的性能，使之可以在各種條件下可以穩定地發電。Watanabe 希望，這項研究的成果將促進物聯網設備供電技術的發展。
關鍵字
熱電發電、物聯網、可穿戴
【1】https://www.waseda.jp/top/en-news/60151
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