《Nano-Structures & Nano-Objects》：Multiphysics optimization of graphene nanoribbon –based thermoelectric generators; A numerical approach for enhanced output power
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基于石墨烯纳米带的热电发电机效率优化研究，通过分析Seebeck系数与温差对输出电压的影响，结合量子限域效应提升带隙特性，提出纳米尺度下忽略库仑拖曳效应的模型，验证其与实验数据（68 μV/K和6.78?μW/K2·m）高度吻合，为可穿戴设备等应用提供高效能量解决方案。
Banafsheh Alizadeh Arashloo
电气工程系，Geli?im大学，伊斯坦布尔，土耳其
摘要
作为能源的固态器件，在没有外部电源的情况下，非常适合用于自主传感器或可穿戴设备等便携式装置。热电发电机是满足这些需求的理想选择之一，尽管其效率较低。塞贝克系数和温差是产生高电压输出的关键因素。基于石墨烯的材料由于具有轻质和超导等独特性能，在纳米尺度上成为热电发电机（TEG）的绝佳选择。与石墨烯片材相比，石墨烯纳米带由于量子限制具有更高的带隙，因此塞贝克系数也更高。在本研究中，针对单单元格和N个单元格的石墨烯纳米带基热电发电机，重点分析了塞贝克系数对输出电压的影响。探讨了塞贝克系数、最大输出功率与通道长度、功率因数和温度之间的关系。通过确保储能通道之间的足够间距，忽略了库仑拖拽效应。此外，还同时获得了最大输出电压和功率与石墨烯纳米带长度及温度梯度的关系。结果表明，与传统的静态几何结构不同，通过研究温度变化、纳米带长度和单元格数量，可以确定最大化输出效率的最佳工作点。实验结果（塞贝克系数为68 μV/K，功率因数为6.78 μW/K2·m）与模型预测相符，并得到了实际热电器件参数的支持，表明该模型适用于可穿戴和可调设备。
引言
用于收集未利用的热能并将其转化为电能的固态装置称为热电发电机。这些可再生能源不会产生噪音或空气污染，但效率相对较低。自主传感器通常使用热电发电机作为能源或超级电容器。因此，材料研究旨在提高热电发电机的能量转换效率。塞贝克效应最早于1821年被发现。其原理可以用以下公式表示：
其中，$S$ 是塞贝克系数，$\Delta T$ 是两种不同材料在电路闭合回路中不同温度下的温差，$m$ 是材料的厚度。该效应表现为在由温差 $\Delta T$ 分隔的热库和冷库之间产生直流电流（如图1(a)所示）。热电发电机的效率和输出电压随库间温差增加而提高[1]。当前的热电发电机研究重点在于提高效率、验证实际性能、增强耐用性和可靠性、降低成本以及扩大应用范围，特别是在发展中国家。传统的材料工程方法主要致力于提高热电纳米材料的电效率。图中的热导率 $\kappa$ 和电导率 $\sigma$ 是影响电效率的重要因素[2, 3]。传统热电器件由两种相反掺杂类型（n型和p型）的半导体组成，它们通过绝缘体隔开。当电流通过这些通道时，会产生库仑拖拽效应。在宏观尺度上，这种效应通常可以忽略不计；但在纳米尺度热电器件中，由于载流子屏蔽作用和室温下的热宽化效应，库仑拖拽效应变得显著[2]。此外，当n型和p型石墨烯纳米带之间的横向间距 $L$ 超过15–20 nm时，由于强载流子屏蔽作用，通道间的库仑相互作用和库仑拖拽效应可以忽略[1]。在这种系统中，剩余的库仑耦合能量远小于热能，因此可以将两个通道视为静电独立的，从而可以使用经典的扩散热电传输模型[4–10]。已有研究报道了双层结构（石墨烯/氮化硼/石墨烯），其中氮化硼薄膜厚度为20 nm；结果表明，在低温范围内（50–300 K），石墨烯纳米带具有较高的功率因数和塞贝克系数，且库仑电阻相对于层间电阻可以忽略不计[11]。近年来，由于石墨烯及其衍生物的独特性质，研究人员对其纳米结构进行了大量研究，并制备了基于石墨烯纳米带的热电发电机。尽管某些石墨烯材料的带隙为零，但石墨烯纳米带的带隙约为1.82 eV，仍表现出较高的功率因数和塞贝克系数[12]。此外，石墨烯具有较高的热导率（5300 W·m?1·K?1），尽管主要的热传递方式是声子传递。因此，石墨烯是具有优异热导率和热灵敏度的理想材料[13, 14]。最近，提出了通过基于沟槽的几何结构来提高锯齿形纳米带系统热电效率的理论框架，从而分离边缘通道和体相，改善电荷传输，增加电功率输出并优化结构[15]。本研究调查了在纳米尺度下运行的基于石墨烯纳米带的热电发电机的性能。开发了数值模型，分析了塞贝克系数、最大功率因数和输出功率与温度及关键结构参数（如通道长度和宽度）之间的关系。还研究了通过带隙调制改变掺杂水平对热电发电机性能的影响。所提出的基于石墨烯纳米带的热电发电机旨在作为自主传感器和便携式设备的能源。器件结构如图1(c)所示。通过假设两个主要通道与绝缘区域之间有足够大的间距，忽略了库仑拖拽效应，从而使基于石墨烯纳米带的通道被视为静电独立的。所有结果均通过MATLAB仿真获得。模型预测结果与参考文献[12]中报道的实验数据吻合，验证了模型的准确性。此外，本研究还致力于提高基于石墨烯纳米带的热电发电机的塞贝克系数和功率因数，以优化其最大输出功率；未来研究将考虑热导率和ZT优化的影响，这些因素受声子散射和制造特定效应的显著影响。
模型
随着可穿戴等移动设备的普及，对清洁、便携式发电机的需求不断增加。热电发电机（TEG）可以满足这些设备的能源需求。基于石墨烯的材料因其独特的性质（如轻质、优异的热导率和电导率），成为p型和n型半导体的理想候选材料，尤其是在纳米结构配置中。
结论
石墨烯具有较高的热导率和电导率，但由于塞贝克系数较低，功率因数较低。相比之下，石墨烯纳米带的量子限制使其具有更高的功率因数和输出功率。石墨烯纳米带的带隙约为1.82 eV[12]，其功率因数和塞贝克系数分别为6.78 μW/K和68 μV/K[12]。因此，在本研究中...
作者贡献
主要思想由Banafsheh Alizadeh Arashloo博士提出、建模和仿真。
CRediT作者贡献声明
Banafsheh Alizadeh Arashloo：撰写 – 审稿与编辑、原始稿件撰写、可视化、验证、监督、软件开发、资源管理、项目规划、方法论设计、数据收集、概念化。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
