[发明专利]一种p-n热电纱线及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种p‑n热电纱线，所述p‑n热电纱线是以碳纳米管纱线为基体，分别以PEI溶液和FeCl₃溶液作为n型改性剂和p型改性剂进行改性处理，并以银涂层作为电极连接n型纱线段和p型纱线段而得到。本发明还公开的所述p‑n热电纱线的制备方法及其应用。本发明的p‑n热电纱线的制备方法简单易行，所得的p‑n热电纱线具有规模化的连续结构，能够与间隔织物组装形成热电器件，捕捉人体余热并将其转换成电能，在可穿戴领域具有重要的科学价值和广泛应用前景。

技术领域

本发明属于热电材料及其制备和应用领域，特别涉及一种p-n热电纱线及其制备方法和应用。

背景技术

5G技术的发展和普及正在开启万物互联的时代，便携式电子设备也因此蓬勃发展。目前，便携式电子设备普遍使用的化学电池在生产与报废过程中会产生大量的有 毒有害物质，与当前绿色能源的时代背景不符。而将环境中的能源直接转换成电能并 为微电子供能必然是未来可穿戴设备的发展方向。人体是一个巨大的能量源，每天向 环境中发散的热功率大约为2.5W。将人体余热转换为可用的电已经得到广泛的关注， 但人体与环境之间只能形成低温差热能，因此很难被有效捕获。

热电材料因能感知及转换各类温差热能而被广泛研究，其中半导体材料的热电性能优异并已经被应用到商业热电器件中。按导电类型，半导体材料可以分为两类：p 型半导体和n型半导体。p型半导体也称为空穴型半导体，其中空穴为多子，自由电 子为少子，主要靠空穴导电。通过掺杂改性得到的p型半导体为非本征半导体，p型 非本征半导体的空穴主要由杂质原子提供，自由电子由热激发形成。掺入的杂质越多， 多子(空穴)的浓度就越高，导电性能就越强。n型半导体亦同。因此，通过杂质原 子掺杂可以调控半导体材料的物理性能进而得到热电性能优异的半导体材料。

目前，块体热电材料及器件因较高的热能转换效率已经被应用于航空航天及机械平面热源捕获等领域，但其质重、刚性的缺点限制了其在可穿戴领域的应用。因此， 柔性热电材料及器件凭借高效的曲面适应性而被大量研究。但目前报道的柔性热电材 料及器件只能在热源平面方向上转换热能，当应用于人体热能捕获时存在效率低、舒 适性差等一系列缺点。因此亟需研发一种可以在温差方向上捕获人体余热的材料结构 及器件。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种连续p-n热电纱线及其制备方法和应用，以克服现有技术中柔性热电材料及器件只能在热源平面方向转换热能的问题。

为实现上述目的，本发明的第一个方面，提供了一种p-n热电纱线，所述p-n 热电纱线是以碳纳米管纱线为基体，分别以PEI溶液和FeCl₃溶液作为n型改性剂和 p型改性剂进行改性处理，并以银涂层作为电极连接n型纱线段和p型纱线段而得到。

根据本发明，所述p型纱线段和n型纱线段依次交替，相邻的p型纱线段和n 型纱线段之间被银涂层隔开。

本发明的第二个方面，提供了所述的p-n热电纱线的制备方法，包括以下步骤：

S1：将碳纳米管薄膜湿法加捻和固定成型，得到规模化连续碳纳米管纱线；

S2：将S1得到的碳纳米管纱线固定在模板上，分别以PEI溶液和FeCl₃溶液作 为n型和p型改性剂，在高温下经物理吸附改性后冷却至室温，并以银涂层作为电极 连接n型纱线段和p型纱线段，得到p-n热电纱线。

根据本发明，步骤S1中所述湿法加捻过程中持续喷洒去离子水润湿碳纳米管薄膜，加捻速度为300～1250转/min，捻度值为500～1200捻/m。

根据本发明，步骤S1中碳纳米管纱线固定成型的温度为30～80℃，固定成型时 间为6～48h。

根据本发明，步骤S2中所使用的模板的尺寸：宽4～20mm，厚0.2～2mm。