High-Performance W-Doped Bi0.5Sb1.5Te3 Flexible Thermoelectric Films and Generators

材料科学 热电效应 兴奋剂 薄膜 热电材料 塞贝克系数 电子迁移率 溅射沉积 光电子学 工作职能 热电发电机 纳米技术 溅射 热导率 复合材料 热力学 图层(电子) 物理
作者
Zerui Liu,Yulin Zhang,Feng-ning Xue,Ting Liu,Xiaokang Ding,Yong Lu,Ji-Cai Zhang,Fu‐Jian Xu
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:16 (20): 26025-26033
标识
DOI:10.1021/acsami.4c00529
摘要

Bi–Sb–Te-based thermoelectric materials have the best room-temperature thermoelectric properties, but their inherent brittleness and rigidity limit their application in the wearable field. In this study, W-doped p-type Bi0.5Sb1.5Te3 (W-BST) thin films were prepared using magnetron sputtering on polyimide substrates to create thermoelectric generators (TEGs). Bending tests showed that the thin film has excellent flexibility and mechanical durability, meeting the flexible requirements of wearable devices. W doping can significantly increase the carrier concentration, Seebeck coefficient, and electrical conductivity of BST thin films. At 300 K, the power factor of the W-BST film is 2.25 times higher than that of the undoped film, reaching 13.75 μW cm–1 K–2. First-principles calculations showed that W doping introduces significant impurity peaks in the bandgap, in which W d electrons remarkably hybridize with the Sb and Te p electrons, leading to an improved electrical conductivity of BST films. Furthermore, W doping significantly reduces the work function of BST films, thereby improving the carrier mobility. A TEG module fabricated from four layers of W-BST thin films achieved a maximum output power density of 6.91 mW cm–2 at a temperature difference of 60 K. Application tests showed that the flexible TEG module could power a portable clock using the temperature difference between body temperature and room temperature. At a medium temperature of 439 K, the assembled TEG module can provide a stable output voltage of 1.51 V to power a LED. This study demonstrates the feasibility of combining inorganic thermoelectric materials with flexible substrates to create high-performance flexible TEGs.
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