MEMS芯片发电系统
技术描述
胡教授课题组经过近数百次的实验摸索，研制成功了具有世界领先水平的MEMS高集成大阵列热电芯片，该MEMS热电芯片能够在0.0001 oC超低温差下有效发电，突破了自瓦特蒸汽机以来，热机系统无法在微小温差下有效发电的重大技术瓶颈，实现了“从0到1”的突破。胡志宇教授团队利用以微纳加工制造技术为代表的智能制造技术，在世界上创新性地开展微纳尺度能量转换研究，完成了从理论创建、设备研制、工艺技术开发、材料制备、器件制造、系统演示全流程的研发工作。
技术优势
胡教授课题组根据对热能量微纳尺度效应的研究，利用微纳加工制造工艺成功地在世界上第一次在75mm硅片上实现了4.6万多个亚微米厚度薄膜热电阵列的集成（图3），制备出具有高热电转换效率的亚微米厚薄膜热电芯片（成果发表在J. of Power Sources, 2018, 394, 17-25）。MEMS高集成大阵列热电芯片的颠覆性在于，在微纳尺度利用热电转换原理，实现超小温差（0.0001 ℃）下持续发电，将热能在纳米尺度转化成电能，突破了从瓦特蒸汽机以来无法利用微小温差有效做功发电的重大技术瓶颈。此外，根据能量守恒定律，还实现了利用芯片叠层技术可以灵活地把多个芯片沿着热梯度方向进行纵向叠加，通过系统集成的办法大幅度提高系统能源转换效率。理论模拟计算表明，最终系统热电转换效率可大幅度超过现有机械式热机效率。中国南方科技大学与美国麻省理工学院（MIT）联合团队在《Science》（2020 April 30, pii: eaaz5045）把进行热电微型单元的芯片级集成称之为“极具挑战”。中国武汉理工大学团队在《Journal of Power Source》（2019，430，193-200）引用我们的工作并称之为“非常困难”。中国南京航天航空学院团队在《Energy》（2020，1994，116873）上报道我们的微米厚度微纳热电模块输出功率密度达到2.9x105 Wm-3。澳大利亚南昆士兰大学在《Advance Materials》（2019，31，1807916）长篇回顾论文中指出，未来可以利用我们的加工方法发展未来柔性热电器件。
效果指标
热电芯片突破了超小温差发电的颠覆性技术瓶颈，并显示出的各种场景中巨大的应用潜力。胡教授团队所研发的MEMS热电芯片具有如下优点包括：全固态系统热电直接转换、长寿命（20年以上）、芯片级模块化设计、体积小、重量轻、无污染、无噪音、可有效减少红外特征等。 1. 适用温度范围广：-60~300 ℃（普通块体热电模块不超过150 ℃）。 2. 功率密度高：> 3000 W/m2（100 ℃温差），高于块体热电器件50%以上。 3. 模块化堆叠集成：因为热能量是体积能量（可以建立纵向温差）理论与实验都证明多片堆叠技术可大幅度提高热电转化能力（为块体热电器件的1.5~5倍）。未来应用可取代机械发电系统，模块化设计，发电功率可以根据实际应用匹配调节（瓦级到兆瓦级）； 4. 规模化生产后成本低：< 4元/W（无需硅基底，与目前光伏电池成本相当），在同等组件厚度（~4 cm）,在温差100 oC时，单位面积的发电功率是光伏电池的10倍以上。 5. 根据2018年国家年鉴，目前火电厂与核电厂机组效率不到40%，而现有机械式发电系统的效率已经很难进一步提高了。如果利用MEMS热电系统在全国范围内对于工业废热进行有效回收，可提高总能源利用率10%以上，相当于10个三峡大坝的年发电量。 前期理论与实验研究已经证明MEMS热电芯片多层堆叠技术可以大幅度提高热能利用效率与提高输出电压，多层热电芯片堆叠组件将是未来热电发电系统构成的基本形式。鉴于MEMS热电芯片已展现出了能够利用超小温差发电这一独特的优越性，未来的广泛应用可大大拓展和完善模块化电能源的补充供应途径。