High-Performance Sb2Te3 Thick Films via Diffusion-Induced Structural Tuning for Flexible Thermoelectric Energy Harvesting

材料科学 热电效应 热电材料 扩散 光电子学 能量收集 工程物理 纳米技术 能量(信号处理) 化学工程 复合材料 热力学 热导率 工程类 物理 统计 数学
作者
Junhui Su,Ning Chen,Zhuoming Xu,Junze Zhang,Suniya Siddique,Shuo Chen,Fu Li,Guangxing Liang,Jingting Luo,Zhuanghao Zheng,Yuexing Chen
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:17 (31): 44738-44747
标识
DOI:10.1021/acsami.5c10931
摘要

Sb2Te3 is a widely studied p-type thermoelectric material with great potential for flexible energy harvesting applications. To enable stable power supply for wearable electronics, enhancing the output power of thermoelectric thin-film devices is imperative, where high-performance thick films are advantageous for boosting power generation efficiency. In this work, we successfully fabricated 10 μm Sb2Te3 thick films with high performance by combining thermal evaporation and a thermal diffusion process. Initially, we explored the thermoelectric properties of Sb2Te3 films with varying thicknesses and found that as the thickness increased, the electrical conductivity decreased significantly, leading to a decline in the power factor. To address this, we optimized the thermal diffusion temperature for 10 μm-thick Sb2Te3 films. This optimization substantially enhanced both electrical conductivity and power factor, achieving a remarkable room-temperature power factor of 25.0 μW cm-1 K-2. Building on this high-performance thick film, we developed a flexible planar thermoelectric device, which demonstrated an output voltage of 57 mV and a peak output power of 8.85 μW under a 60 °C temperature gradient. The output power density reached as high as 4.42 mW cm-2. The device with only a 16.7% change in resistance after 800 bending cycles at a bending strain of 60%. This work presents a scalable and effective strategy to enhance the thermoelectric performance of thick Sb2Te3 films, accelerating their practical deployment in wearable energy harvesting systems.

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