ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ И МАРШРУТЫ TECHNOLOGICAL PROCESSES AND ROUTES
Научная статья УДК 621.362
https://doi.org/10.24151/1561-5405-2025-30-1-16-23 EDN: CTFBZW
Технология формирования гибкого термоэлектрического генератора методом трафаретной печати модифицированных суспензий на основе твердых растворов Bi2Teз-Bi2Seз и Bi2Teз-Sb2Teз
И. А. Волощук*, Д. Ю. Терехов, М. Ю. Штерн, А. А. Шерченков
Национальный исследовательский университет «МИЭТ», г. Москва, Россия
Аннотация. Использование гибких термоэлектрических генераторов (ТЭГ) - перспективное решение проблемы энергоснабжения носимой электроники с автономным питанием. ТЭГ напрямую преобразовывают тепловую энергию в электрическую и обеспечивают плотный тепловой контакт с различными развитыми поверхностями. В работе представлена технология разработки и изготовления гибкого ТЭГ методом трафаретной печати из модифицированных суспензий. Для формирования ветвей пи ^-типа использованы суспензии на основе порошков термоэлектрических материалов В^Те2^е0,2 и Вц58Ь1,5Те3 соответственно, модифицирующей добавки нанопорошка оксида меди (0,1 масс. %) и водного щелочного раствора силиката натрия в качестве связующего. Разработанный ТЭГ включает в себя 12 пар ветвей п- и ^-типа. В качестве гибкого основания использована силиконовая матрица размером 35 х 44 х 3 мм. Установлено, что модифицирование суспензий позволяет повысить плотность мощности, вырабатываемой разработанным гибким термоэлектрическим генератором, в 7,5 раз по сравнению с ТЭГ на основе ветвей из немодифи-цированных суспензий. Показано, что при низких температурах термоЭДС разработанных гибких ТЭГ соответствует термоЭДС ТЭГ, описанных в литературных источниках, и ТЭГ, изготовленных без применения добавок. В то же время при увеличении перепада температур на горячем и холодном спаях термоЭДС рассматриваемого ТЭГ значительно выше. Предложенная технология перспективна и может быть использована для формирования ветвей термоэлементов гибких ТЭГ.
Ключевые слова: термоэлектрические материалы, термоэлектрический генератор, термоЭДС
© И. А. Волощук, Д. Ю. Терехов, М. Ю. Штерн, А. А. Шерченков, 2025
Финансирование работы: работа выполнена при финансовой поддержке РНФ (проект № 20-19-00494).
Для цитирования: Волощук И. А., Терехов Д. Ю., Штерн М. Ю., Шерченков А. А. Технология формирования гибкого термоэлектрического генератора методом трафаретной печати модифицированных суспензий на основе твердых растворов Bi2Te3-Bi2Se3 и Bi2Te3-Sb2Te3 // Изв. вузов. Электроника. 2025. Т. 30. № 1. С. 16-23. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2025-30-1-16-23. EDN: CTFBZW.
Original article
Technology for fabricating a flexible thermoelectric generator by screen printing of modified suspensions based on Bi2Te3-Bi2Se3 and Bi2Te3-Sb2Te3 solid solutions
I. A. Voloshchuk*, D. Yu. Terekhov, M. Yu. Shtern, A. A. Sherchenkov
National Research University of Electronic Technology, Moscow, Russia * [email protected]
Abstract. Flexible thermoelectric generators (TEGs) are a promising solution to the problem of powering the self-powered wearable electronics. They directly convert thermal energy into electrical energy and provide close thermal contact with various developed surfaces. In this work, the developed technology for the development and fabrication of a flexible TEG by screen printing from modified suspensions is presented. For the formation of n- and p-type legs, suspensions based on powders of thermoelectric materials Bi2Te2,8Se0,2 (n-type) and Bi0 5Sb:,5Te3 (p-type), respectively, with a modifying additive of copper oxide nanopowder (0.1 wt. %) and an aqueous alkaline solution of sodium silicate as a binder were used. A silicone matrix with geometric parameters 35 x 44 x 3 mm was used as a flexible base. It has been established that the modification of suspensions makes it possible to increase the power density of the developed flexible thermoelectric generator by 7.5 times compared to TEGs based on legs in unmodified suspensions. It was demonstrated that at low temperatures the thermal emf of developed flexible TEG corresponds to the thermal emf of TEGs from the literature and of those manufactured without the use of additives. At the same time, with an increase in the temperature difference at the hot and cold junctions the thermal emf of TEG under consideration is significantly higher. Thus, the proposed technology is promising and can be used to form legs of thermoelements in flexible TEGs.
Keywords: thermoelectric materials, thermoelectric generator, TEG, thermal emf
Funding: the work has been supported by the Russian Science Foundation (project no. 20-19-00494).
For citation: Voloshchuk I. A., Terekhov D. Yu., Shtern M. Yu., Sherchenkov A. A. Technology for fabricating a flexible thermoelectric generator by screen printing of modified suspensions based on Bi2Te3-Bi2Se3 and Bi2Te3-Sb2Te3 solid solutions. Proc. Univ. Electronics, 2025, vol. 30, no. 1, pp. 16-23. https://doi.org/10.24151/1561-5405-2025-30-1-16-23.
Введение. Гибкие термоэлектрические генераторы (ТЭГ) напрямую преобразовывают тепловую энергию в электрическую и обеспечивают плотный тепловой контакт с разными развитыми поверхностями. ТЭГ являются перспективным решением проблемы энергоснабжения носимой электроники с автономным питанием, появившейся в результате активного развития Интернета вещей и электронных устройств [1, 2]. К преимуществам гибких ТЭГ относятся способность принимать требуемую форму в определенных пределах, возможность формирования модулей произвольных размеров. Гибкие ТЭГ легче, тоньше и портативнее классических ТЭГ на основе объемных термоэлектрических материалов и могут быть адаптированы к различным телам со сложной поверхностью [3], в том числе к форме человеческого тела, что значительно увеличивает площадь сбора тепловой энергии.
Технология изготовления гибких ТЭГ методами трафаретной и струйной печати с использованием красок на основе термоэлектрических материалов перспективна [4, 5]. Однако технология струйной печати дороже и сложнее (требуется высокоточное дозирующее оборудование) по сравнению с технологией трафаретной печати. Способ формирования гибких толстопленочных ТЭГ методом трафаретной печати позволяет изготавливать ТЭГ любых размеров и является относительно недорогим по сравнению с другими технологиями. Основной недостаток такого способа - низкая электропроводность получаемых ветвей по сравнению с объемными термоэлектрическими материалами [2, 6].
В работах [7, 8] описаны проведенные исследования ветвей термоэлементов п- и p-типа на основе Bi2Te2,8Se0,2 (п-тип) и Bi0,5Sbl,5Te3 ^-тип), изготовленных методом трафаретной печати с использованием водного щелочного раствора силиката натрия в качестве связующего. Несмотря на то, что значения коэффициента термоЭДС полученных толстопленочных ветвей термоэлементов (-250,3 и 249,3 мкВ/К для п- и p-типа соответственно) не уступают литературным данным [9], существенной проблемой остаются низкие значения электропроводности. Один из путей решения данной проблемы -модифицирование термоэлектрических суспензий, используемых в трафаретной печати. В связи с этим отработана технология формирования ветвей термоэлементов из суспензий, модифицированных нанопорошком ^О, что позволило значительно увеличить проводимость ветвей термоэлементов [10]. Наилучшие результаты показали термоэлектрические суспензии, модифицированные 0,1 масс. % ^О как для п-типа, так и для p-типа. Электропроводность ветвей, сформированных на основе данных суспензий, составила 57,2 Ом-1 см-1 (для п-типа) и 52,2 Ом-1 см-1 (для p-типа), что существенно выше, чем у ветвей из немодифицированных суспензий. Поэтому такие толстопленочные материалы из модифицированных суспензий являются перспективными для создания гибких ТЭГ.
В настоящей работе рассматривается технология формирования гибкого ТЭГ методом трафаретной печати и исследуются его характеристики.
Методика эксперимента. Для формирования ветвей термоэлементов применяли метод трафаретной печати из суспензий. В качестве термоэлектрических материалов использовали поликристаллические твердые растворы Bi2Te3-Bi2Se3 (п-тип) и Bi2Te3-Sb2Te3 (p-тип). Процесс изготовления суспензий следующий. Термоэлектрический материал измельчали в агатовой ступке до порошкового состояния, далее полученный порошок смешивали с модифицирующей добавкой, после чего полученную смесь смешивали со связующим. В качестве модифицирующей добавки выбран нанопорошок оксида меди CuO, имеющий высокую электропроводность. Водный щелочной раствор силиката натрия использовали в качестве связующего. По результатам работы [10]
определен оптимальный состав термоэлектрической суспензии: 84,9 масс. % термоэлектрического материала; 0,1 масс. % CuO и 15,0 масс. % связующего.
Для формирования ветвей термоэлементов разработана форма для отливки силиконовой матрицы, изготовленная на 3D-принтере с использованием ABS-пластика. Разработанная форма позволяет отлить силиконовую матрицу размером 35 х 44 х 3 мм с 24 ячейками под ветви термоэлементов, что дает возможность сформировать 12 пар термоэлементов. Для изготовления силиконовой матрицы форму заливали силиконом на платиновой основе. Ячейки, сформированные в матрице, заполняли полученной ранее термоэлектрической суспензией и сушили в течение 24 ч при комнатной температуре. Далее полученные 24 ветви подвергали двухступенчатому отжигу: 4 ч при температуре 110 °C и 15 мин при температуре 200 °C. Высота полученных ветвей составила 3 мм, диаметр равен 1 мм.
Для формирования коммутационных слоев на основаниях ветвей термоэлементов использовали электрохимическое осаждение пленок Ni и Cu, отработанная методика осаждения которых представлена в [7]. Время осаждения каждой из пленок составляло 180 с, плотность тока равна 50 мА/см для Ni и 160 мА/см для Cu. На заключительном этапе сборки гибкого ТЭГ выполняли коммутацию ветвей термоэлементов. При этом ветви n- и ^-типа соединяли попарно между собой подпайкой медной проволокой к сформированным коммутационным слоям на основаниях ветвей термоэлементов. Для подпайки использовали припой ПОС61, флюс ФЦА и медную проволоку с площадью сечения 0,02 мм2. Процесс проводили при температуре 200 °С. На рис. 1 представлен разработанный гибкий ТЭГ.
Исследование ВАХ и температурных зависимостей тока и напряжения проводили на стенде, который состоит из цифрового мульти-метра Keithley 2001 и пикоамперметра Keithley 6485. Температуру измеряли прецизионными электронными термометрами, абсолютная погрешность которых ± 0,05 °С. Исследовали ВАХ с подключаемой нагрузкой и без нее при различных значениях перепада температуры ДТ на горячем и холодном спаях. Температура холодного спая составляла 25 °С. Для стабилизации и поддержания постоянной температуры на холодном спае применяли жидкостной термостат Lauda Proline RP 3530C. Подключаемую нагрузку регулировали с помощью прецизионного низкоомного магазина сопротивления Time Electronics 1067.
Результаты и их обсуждение. Проведены комплексные исследования характеристик разработанного и изготовленного толстопленочного гибкого ТЭГ. В первую очередь анализировали зависимости тока и вырабатываемой термоЭДС U без нагрузки и с ее подключением при различных значениях ДТ. Перепад температуры варьировали от 1 до 40 К, подключаемую нагрузку - от 1 до 1000 Ом. На рис. 2 представлены результаты исследований. Видно, что с увеличением ДТ значения вырабатываемой термоЭДС гибкого ТЭГ возрастают линейно (R2 = 0,9999).
Рис. 1. Разработанный гибкий ТЭГ Fig. 1. Developed flexible thermoelectric generator
Рис. 2. Зависимость термоЭДС разработанного ТЭГ от перепада температуры без нагрузки Fig. 2. Dependence of thermal emf of developed flexible TEG on temperature difference without load
На рис. 3 представлены зависимости тока и напряжения гибкого ТЭГ от сопротивления подключаемой нагрузки от 1 до 1000 Ом. Результаты представлены для трех измерений при ДТ = 2,5; 5,0; 10,0 К. Результаты измерений показали, что экспериментальные кривые в зависимости от подключаемой нагрузки при различных ДТ имеют схожий характер. При увеличении подключаемой к ТЭГ нагрузки напряжение возрастает, при этом наблюдается тенденция к выходу на «полку»: значения тока уменьшаются, а в диапазоне нагрузок 250-1000 Ом кривые становятся близкими и накладываются друг на друга.
Рис. 3. Зависимость напряжения и тока гибкого ТЭГ от подключаемой нагрузки
при различных ЛГ: •, о - 10 К; ▲, Д - 5 К; ■, □ - 2,5 К Fig. 3. Dependence of voltage and current of flexible TEG on the connected load at different ЛТ: •, о - 10 К; ▲, Д - 5 К; ■, □ - 2.5 К
На основе полученных результатов проведен расчет вырабатываемой мощности Р гибким ТЭГ при трех значениях ДТ и в зависимости от подключаемой нагрузки. С увеличением ДТ пик мощности резко возрастает, кроме того, во всех трех случаях пик мощности наблюдается при нагрузке 11 Ом. В таблице приведены результаты расчета максимальных значений мощности Р на единицу объема ветви термоэлемента для трех значений ДТ при нагрузке Яь = 11 Ом.
Максимальные значения мощности, вырабатываемой гибким ТЭГ (RL = 11 Ом) Maximum values of power generated by a flexible TEG (R = 11 Ohm)
AT, К Мощность P, мкВт Плотность мощности, мкВт/м3
2,5 0,70 0,07
5 2,59 0,27
10 12,18 1,29
На рис. 4 представлены характеристики полученного гибкого ТЭГ и ТЭГ, разработанного из немодифицированной суспензии [8]. Согласно полученным результатам максимальное значение плотности мощности гибкого ТЭГ, изготовленного из модифицированных суспензий, больше в 7,5 раз.
На завершающем этапе исследований проводили сравнение вырабатываемой термоЭДС разработанным ТЭГ из модифицированных суспензий с термоЭДС ТЭГ из немодифицированных суспензий и ТЭГ, описанных в работах [6, 8, 11] (рис. 5).
Рис. 4. Зависимость плотности мощности разработанного ТЭГ (•) и ТЭГ (о), описанного
в работе [8], от подключаемой нагрузки Fig. 4. Dependence of the power density of the developed flexible TEG (•) and the TEG described in [8] (о) on the connected load
Рис. 5. Сравнение термоЭДС, вырабатываемой разработанным ТЭГ (•), с термоЭДС ТЭГ, описанных в работах [8] (□), [6] (Д - тип 1; о - тип 2) и [11] (◊)
Fig. 5. Comparison of thermal emf generated by the developed TEG (•) with thermal emf of TEGs described in [8] (□), [6] (Д - type 1; о - type 2) and [11] (◊)
При низких температурах термоЭДС, вырабатываемая разработанным гибким ТЭГ, не уступает таковой для ТЭГ, описанных в литературных источниках, и ТЭГ, изготовленных без применения добавок. В то же время при увеличении ДТ вырабатываемая термоЭДС разработанным ТЭГ значительно выше. При комнатной температуре (298 К) вырабатываемая термоЭДС гибким ТЭГ при ДT = 2; 5; 10 К составляет 4,5; 11,1; 22,2 мВ соответственно, что превышает представленные в литературе значения термо-ЭДС гибких ТЭГ, изготовленных методом трафаретной печати.
Заключение. Исследования показали, что разработанная технология формирования гибкого ТЭГ методом трафаретной печати из модифицированных суспензий на основе твердых растворов Б12Те2,8Бе0,2 (п-тип) и Б10,5БЬ1,5Те3 (р-тип) с добавлением нано-порошка оксида меди (0,1 масс. %) перспективна и может быть использована для формирования ветвей термоэлементов гибких ТЭГ.
Литература
1. Kumar S., Tiwari P., Zymbler M. Internet of Things is a revolutionary approach for future technology enhancement: A review // J. Big Data. 2019. Vol. 6. Art. No. 111. https://doi.org/10.1186/s40537-019-0268-2
2. Zhang L., Shi X.-L., Yang Y.-L., Chen Z.-C. Flexible thermoelectric materials and devices: From materials to applications // Mater. Today. 2021. Vol. 46. P. 62-108. https://doi.org/10.1016/j.mattod.2021.02.016
3. Tian R., Liu Y., Koumoto K., Chen J. Body heat powers future electronic skins // Joule. 2019. Vol. 3. Iss. 6. P. 1399-1403. https://doi.org/10.1016/jjoule.2019.03.011
4. Ink processing for thermoelectric materials and power-generating devices / S. Jo, S. Choo, F. Kim et al. // Adv. Mater. 2019. Vol. 31. Iss. 20. Art. ID: 1804930. https://doi.org/10.1002/adma.201804930
5. Flexible thermoelectric materials and generators: Challenges and innovations / Y. Wang, L. Yang, X.-L. Shi et al. // Adv. Mater. 2019. Vol. 31. Iss. 29. Art. ID: 1807916. https://doi.org/10.1002/adma.201807916
6. Siddique A. R. M., Mahmud S., Heyst B. van. A review of the state of the science on wearable thermoelectric power generators (TEGs) and their existing challenges // Renewable Sustainable Energy Rev. 2017. Vol. 73. P. 730-744. https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.01.177
7. Voloshchuk I. A., Terekhov D. Yu. Investigation of the electrical contact to the thermoelectric legs fabricated by screen-printing method // 2021 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus). Moscow: IEEE, 2021. P. 2501-2505. https://doi.org/10.1109/ ElConRus51938.2021.9396295
8. Flexible thermoelectric generator fabricated by screen printing method from suspensions based on Bi2Te2.8Se0.2 and Bia5Sbi.5Te3 / I. Voloshchuk, A. Babich, S. Pereverzeva et al. // J. Cent. South Univ. 2023. Vol. 30. P. 2906-2918. https://doi.org/10.1007/s11771-023-5257-0
9. Thermoelectric properties of efficient thermoelectric materials on the basis of bismuth and antimony chalcogenides for multisection thermoelements / M. Shtern, M. Rogachev, Yu. Shtern et al. // J. Alloys Compd. 2021. Vol. 887. Art. ID: 160328. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.160328
10. Волощук И. А., Терехов Д. Ю. Электрофизические свойства ветвей толстопленочных термоэлементов на основе термоэлектрических материалов системы Bi-Te-Se и Bi-Sb-Te, легированных нанопо-рошком CuO // Перспективные материалы конструкционного и функционального назначения: сб. науч. тр. Междунар. науч.-техн. молодежи. конф. (Томск, 17-21 окт. 2022). Томск: Нац. исслед. Томский поли-техн. ун-т, 2022. С. 161-164. EDN: ZDQQXM.
11. Wearable thermoelectric generator for harvesting human body heat energy / M.-K. Kim, M.-S. Kim, S. Lee et al. // Smart Mater. Struct. 2014. Vol. 23. No. 10. Art. No. 105002. https://doi.org/10.1088/0964-1726/23/10/105002
References
1. Kumar S., Tiwari P., Zymbler M. Internet of Things is a revolutionary approach for future technology enhancement: A review. J. Big Data, 2019, vol. 6, art. no. 111. https://doi.org/10.1186/s40537-019-0268-2
2. Zhang L., Shi X.-L., Yang Y.-L., Chen Z.-C. Flexible thermoelectric materials and devices: From materials to applications. Mater. Today, 2021, vol. 46, pp. 62-108. https://doi.org/10.1016/j.mattod.2021.02.016
3. Tian R., Liu Y., Koumoto K., Chen J. Body heat powers future electronic skins. Joule, 2019, vol. 3, iss. 6, pp. 1399-1403. https://doi.org/10.1016/jjoule.2019.03.011
4. Jo S., Choo S., Kim F., Heo S. H., Son J. S. Ink processing for thermoelectric materials and powergenerating devices. Adv. Mater., 2019, vol. 31, iss. 20, art. ID: 1804930. https://doi.org/10.1002/ adma.201804930
5. Wang Y., Yang L., Shi X.-L., Shi X., Chen L., Dargusch M. S., Zou J., Chen Z.-G. Flexible thermoelectric materials and generators: Challenges and innovations. Adv. Mater., 2019, vol. 31, iss. 29, art. ID: 1807916. https://doi.org/10.1002/adma.201807916
6. Siddique A. R. M., Mahmud S., Heyst B. van. A review of the state of the science on wearable thermoelectric power generators (TEGs) and their existing challenges. Renewable Sustainable Energy Rev., 2017, vol. 73, pp. 730-744. https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.01.177
7. Voloshchuk I. A., Terekhov D. Yu. Investigation of the electrical contact to the thermoelectric legs fabricated by screen-printing method. 2021 IEEE Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (EIConRus). Moscow, IEEE, 2021, pp. 2501-2505. https://doi.org/10.1109/ElConRus51938. 2021.9396295
8. Voloshchuk I., Babich A., Pereverzeva S., Terekhov D., Sherchenkov A. Flexible thermoelectric generator fabricated by screen printing method from suspensions based on Bi2Te2.8Se0.2 and Bia5Sbi.5Te3 // J. Cent. South Univ., 2023, vol. 30, pp. 2906-2918. https://doi.org/10.1007/s11771-023-5257-0
9. Shtern M., Rogachev M., Shtern Yu., Sherchenkov A., Babich A., Korchagin E., Nikulin D. Thermoelectric properties of efficient thermoelectric materials on the basis of bismuth and antimony chalcogenides for multisection thermoelements. J. Alloys Compd., 2021, vol. 887, art. ID: 160328. https://doi.org/10.1016/ j.jallcom.2021.160328
10. Voloshchuk I. A., Terekhov D. Yu. Electrophysical properties of legs of thick-film thermoelements based on thermoelectric materials of the Bi-Te-Se and Bi-Sb-Te system doped with CuO nanopowder. Perspek-tivnyye materialy konstruktsionnogo i funktsional'nogo naznacheniya, proceedings of International sci. and tech. conf. for young researchers (Tomsk, Oct. 17-21, 2022). Tomsk, National Research Tomsk Polytech. Univ., 2022, pp. 161-164. (In Russian). EDN: ZDQQXM.
11. Kim M.-K., Kim M.-S., Lee S., Kim C., Kim Y.-J. Wearable thermoelectric generator for harvesting human body heat energy. Smart Mater. Struct., 2014, vol. 23, no. 10, art. no. 105002. https://doi.org/10.1088/ 0964-1726/23/10/105002
Информация об авторах
Волощук Ирина Андреевна - аспирант, инженер Института перспективных материалов и технологий Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124482, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), [email protected]
Терехов Дмитрий Юрьевич - инженер Института перспективных материалов и технологий Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124482, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), [email protected]
Штерн Максим Юрьевич - доктор технических наук, доцент Института перспективных материалов и технологий Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124482, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), m.y.shtern@gmail .com
Шерченков Алексей Анатольевич - доктор технических наук, профессор Института перспективных материалов и технологий Национального исследовательского университета «МИЭТ» (Россия, 124482, г. Москва, г. Зеленоград, пл. Шокина, 1), [email protected]
Information about the authors
Irina A. Voloshchuk - PhD student, Engineer of the Institute of Advanced Materials and Technologies, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124482, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), [email protected]
Dmitry Yu. Terekhov - Engineer of the Institute of Advanced Materials and Technologies, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124482, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), [email protected]
Maxim Yu. Shtern - Dr. Sci. (Eng.), Assoc. Prof. of the Institute of Advanced Materials and Technologies, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124482, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), [email protected]
Alexey A. Sherchenkov - Dr. Sci. (Eng.), Prof. of the Institute of Advanced Materials and Technologies, National Research University of Electronic Technology (Russia, 124482, Moscow, Zelenograd, Shokin sq., 1), [email protected]
Поступила в редакцию / Received 28.03.2024 Поступила после рецензирования / Revised 12.04.2024 Принята к публикации / Accepted 11.12.2024