柔性嵌入式有机微温差发电机的高效皮肤热能采集：数值优化与性能突破

本文综述通过有限元分析优化了基于PEDOT:PSS（p型）与PBFDO/BPDO（n型）有机半导体的嵌入式微温差发电机（µ-OTEG），其嵌入结构有效降低界面热损失，将温差（ΔT）从3.58°C提升至10.4°C，开路电压（VOC）从10.41 mV增至18.4 mV，输出功率从0.83 µW升至2.56 µW，热效率较传统可穿戴TEGs提升超250%。研究为下一代自供能可穿戴设备提供了可扩展、生物相容的解决方案。

引言

可穿戴技术的快速发展推动了对柔性、自供能电子设备的需求。热电发电机（TEG）能够通过塞贝克效应将人体皮肤与环境的温差（ΔT）转化为电能，成为可持续能源的重要选择。然而，传统无机热电材料（如Bi₂Te₃）存在毒性、刚性和高密度等问题，而有机热电材料如PEDOT:PSS（聚3,4-乙烯二氧噻吩:聚苯乙烯磺酸盐）和PBFDO/BPDO（聚苯并二呋喃二酮/苯并二吡喃二酮）因其柔韧性、生物相容性和可调电学特性受到关注。本文通过数值模拟优化嵌入式有机微温差发电机（µ-OTEG）的设计，旨在提升皮肤热能采集效率。

方法

研究采用COMSOL Multiphysics构建三维稳态有限元模型，模拟TEG的热电特性。p型腿材料选用H₂SO₄和NaOH处理的PEDOT:PSS，功率因子达334 µW m⁻¹K⁻²；n型腿材料为PBFDO/BPDO，功率因子为142 µW m⁻¹K⁻²。电极材料为银，热边界条件中对流换热系数设为22 W m⁻²K⁻¹。通过耦合热传导方程与电流密度方程，分析开路电压（V_OC）、温差（ΔT）和最大输出功率（P_Max）等参数。

结果与讨论

1. 1.
   基底材料与腿形状优化
   气凝胶基底因超低热导率（0.02 W m⁻¹K⁻¹）表现最佳，ΔT达1.49°C，V_OC为0.132 mV。对称长方体腿（E型）在十二种几何形状中功率最高（P_Max=1013 pW），因其平衡了热约束与电荷传输。
2. 2.
   结构参数优化
   当TEG厚度为300 µm、腿宽度75 µm、不对称比0.9时，P_Max达397.2 nW。电极厚度增至5 µm可降低接触电阻，而腿数增至64时，ΔT=10.32°C，V_OC=32 mV，P_Max=2.7 µW，热效率为0.07%。
3. 3.
   嵌入式与传统TEG对比
   嵌入式结构将ΔT从3.58°C提升至10.4°C，V_OC从10.41 mV增至18.4 mV，热效率提高295%。其通过基底热隔离减少横向热扩散，强化垂直热流。
4. 4.
   皮肤热能采集应用
   在人体不同部位（头、颈、手等）测试显示，头部在高温环境（47°C）下性能最优（ΔT=2.95°C，V_OC=5.17 mV，P_Max=206.11 nW），因血流量大且皮肤温度稳定。

结论

本研究通过有限元分析优化了嵌入式有机µ-OTEG的设计，证实其能高效利用人体热能，为柔性电子设备提供可持续电源。未来可结合材料工程与器件集成，进一步推动生物医学传感等应用。