持続可能な電力源の提供は、今世紀における最も重要な課題の1つです。エネルギーハーベスティング材料の研究分野は、この動機から生まれており、熱電変換​​1、光起電力変換2、熱光起電力変換3などが含まれます。ジュール範囲のエネルギーを収穫できる材料やデバイスはまだ不足していますが、電気エネルギーを周期的な温度変化に変換できる焦電材料は、センサー4やエネルギーハーベスター5,6,7として考えられています。本研究では、42グラムのタンタル酸スカンジウム鉛で作られた多層コンデンサの形をしたマクロスケールの熱エネルギーハーベスターを開発し、熱力学的サイクルごとに11.2 Jの電気エネルギーを生成しました。各焦電モジュールは、サイクルごとに最大4.43 J cm-3の電気エネルギー密度を生成できます。また、0.3 gのこのようなモジュールを2つ使用すれば、マイクロコントローラと温度センサーを組み込んだ自律型エネルギーハーベスターに継続的に電力を供給できることも示しました。最後に、10 Kの温度範囲で、これらの多層コンデンサが40%のカルノー効率を達成できることを示しました。これらの特性は、（1）高効率を実現する強誘電相変化、（2）損失を防ぐ低漏洩電流、および（3）高耐圧によるものです。これらのマクロスケールで拡張可能かつ高効率な焦電型発電装置は、熱電発電の概念を根本から覆すものです。
熱電材料に必要な空間的な温度勾配と比較して、熱電材料のエネルギーハーベスティングには、時間経過に伴う温度サイクルが必要です。これは熱力学的サイクルを意味し、エントロピー（S）-温度（T）図で最もよく表されます。図1aは、スカンジウム鉛タンタル酸塩（PST）における電界駆動型強誘電体-常誘電体相転移を示す非線形焦電（NLP）材料の典型的なSTプロットです。ST図のサイクルの青色と緑色のセクションは、オルソンサイクル（2つの等温セクションと2つの等極セクション）で変換された電気エネルギーに対応します。ここでは、初期温度は異なるものの、電界変化（電界オンとオフ）と温度変化ΔTが同じ2つのサイクルを検討します。緑色のサイクルは相転移領域に位置していないため、相転移領域に位置する青色のサイクルよりも面積がはるかに小さくなります。ST図では、面積が大きいほど収集されるエネルギーが大きくなります。したがって、相転移ではより多くのエネルギーを収集する必要があります。 NLPにおける大面積サイクルの必要性は、電気熱アプリケーション9、10、11、12の必要性と非常によく似ており、PST多層キャパシタ（MLC）とPVDFベースの三元共重合体は最近、優れた逆性能を示しています。サイクル13、14、15、16における冷却性能の状態。したがって、熱エネルギーハーベスティングに関心のあるPST MLCを特定しました。これらのサンプルは、方法の項で完全に説明されており、補足ノート1（走査型電子顕微鏡）、2（X線回折）、および3（熱量測定）で特性評価されています。
a、相転移を示すNLP材料に電界をオン/オフで印加した場合のエントロピー(S)-温度(T)プロットの概略図。2つの異なる温度領域で2つのエネルギー収集サイクルが示されています。青と緑のサイクルはそれぞれ相転移の内側と外側で発生し、表面の非常に異なる領域で終了します。b、厚さ1 mmの2つのDE PST MLC単極リングを、それぞれ20 °Cと90 °Cで0～155 kV cm-1の間で測定し、対応するオルセンサイクルを示します。文字ABCDはオルセンサイクルの異なる状態を示します。AB：MLCは20°Cで155 kV cm-1まで充電されました。BC：MLCは155 kV cm-1に維持され、温度は90 °Cまで上昇しました。CD：MLCは90 °Cで放電しました。DA：MLCはゼロ電界で20 °Cまで冷却されました。青色の領域は、サイクルを開始するために必要な入力電力に対応します。オレンジ色の領域は、1サイクルで収集されたエネルギーです。c、上段パネル、電圧（黒）と電流（赤）の時間変化。bと同じオルソンサイクル中に追跡されました。2つの挿入図は、サイクルの重要なポイントでの電圧と電流の増幅を表しています。下段パネルでは、黄色と緑色の曲線は、それぞれ厚さ1 mmのMLCに対応する温度とエネルギーの曲線を表しています。エネルギーは、上段パネルの電流と電圧の曲線から計算されます。負のエネルギーは、収集されたエネルギーに対応します。4つの図の大文字に対応するステップは、オルソンサイクルと同じです。サイクルAB'CDは、スターリングサイクルに対応します（補足7）。
ここで、EとDはそれぞれ電場と電束密度場である。NdはDE回路（図1b）から間接的に得ることも、熱力学サイクルを開始することで直接得ることもできる。最も有用な方法は、1980年代にオルセンが行った焦電エネルギー収集に関する先駆的な研究で説明されている¹⁷。
図 1b には、厚さ 1 mm の PST-MLC サンプルをそれぞれ 20 °C と 90 °C で組み立てた 2 つの単極 DE ループが、0 ～ 155 kV cm-1 (600 V) の範囲で示されています。これらの 2 つのサイクルを使用して、図 1a に示すオルソン サイクルによって収集されるエネルギーを間接的に計算できます。実際、オルソン サイクルは、2 つの等電点ブランチ (ここでは、DA ブランチでゼロ電場、BC ブランチで 155 kV cm-1) と 2 つの等温ブランチ (ここでは、AB ブランチで 20°C と 20°C、CD ブランチで C) で構成されています。サイクル中に収集されるエネルギーは、オレンジ色と青色の領域 (EdD 積分) に対応します。収集されるエネルギー Nd は、入力エネルギーと出力エネルギーの差、つまり図 1b のオレンジ色の領域のみです。この特定のオルソン サイクルでは、Nd エネルギー密度は 1.78 J cm-3 となります。スターリングサイクルはオルソンサイクルの代替手段です（補足資料7）。定充電段階（開回路）に到達しやすいため、図1b（サイクルAB'CD）から得られるエネルギー密度は1.25 J cm-3に達します。これはオルソンサイクルで収集できる量のわずか70%ですが、シンプルなエネルギー回収装置で実現できます。
さらに、Linkam温度制御ステージとソースメータを使用してPST MLCに通電し、オルソンサイクル中に収集されたエネルギーを直接測定しました（方法）。図1cの上部とそれぞれの挿入図は、同じオルソンサイクルを経るDEループと同じ1 mm厚のPST MLCで収集された電流（赤）と電圧（黒）を示しています。電流と電圧により収集されたエネルギーを計算することができ、その曲線は図1cの下部（緑）とサイクル全体の温度（黄）に示されています。文字ABCDは、図1の同じオルソンサイクルを表しています。MLCの充電はABレッグ中に発生し、低電流（200 µA）で実行されるため、SourceMeterは充電を適切に制御できます。この一定の初期電流の結果、非線形電位変位場D PSTのために電圧曲線（黒線）は線形ではありません（図1c、上部挿入図）。充電の終了時には、30 mJ の電気エネルギーが MLC (点 B) に蓄積されます。その後、MLC が加熱され、電圧が 600 V のままで負の電流 (したがって負の電流) が発生します。40 秒後、温度が 90 °C のプラトーに達すると、この電流は補償されますが、ステップサンプルはこの等電場中に回路で 35 mJ の電力を生成します (図 1c の 2 番目の挿入図、上部)。その後、MLC (分岐 CD) の電圧が低下し、さらに 60 mJ の電気仕事が発生します。総出力エネルギーは 95 mJ です。収集されたエネルギーは入力エネルギーと出力エネルギーの差であり、95 - 30 = 65 mJ となります。これは 1.84 J cm-3 のエネルギー密度に相当し、DE リングから抽出された Nd に非常に近い値です。このオルソンサイクルの再現性は広範囲にわたってテストされています (補足資料 4)。電圧と温度をさらに上げることにより、750 V (195 kV cm-1) および 175 °C の温度範囲で、厚さ 0.5 mm の PST MLC で Olsen サイクルを使用して 4.43 J cm-3 を達成しました (補足ノート 5)。これは、文献で報告されている直接 Olson サイクルの最高の性能の 4 倍であり、Pb(Mg,Nb)O3-PbTiO3 (PMN-PT) の薄膜で得られました (1.06 J cm-3)18 (cm 。文献のその他の値については補足表 1 を参照)。 この性能は、これらのMLCの非常に低いリーク電流（750V、180℃で10−7A未満、詳細は補足ノート6を参照）によって達成されました。これは、以前の研究17,20で使用された材料とは対照的に、Smithら19によって言及された重要な点です。 この性能は、これらのMLCの非常に低いリーク電流（750V、180℃で10−7A未満、詳細は補足ノート6を参照）によって達成されました。これは、以前の研究17,20で使用された材料とは対照的に、Smithら19によって言及された重要な点です。 Эти характеристики были достигнуты благодаря очень низкому току утечки этих MLC (<10–7 А при 750 В и 180 °C, 6) — критический момент, упомянутый Смитом и др. 19 — в отличие от к материалам, использованным в более ранних исследованиях17,20. これらの特性は、これらのMLCの非常に低い漏洩電流（750Vおよび180℃で<10–7A、詳細は補足ノート6を参照）によって達成されました。これは、以前の研究17,20で使用された材料とは対照的に、Smithら19によって言及された重要なポイントです。これらの MLC の漏れ電流は非常に低いため (750 V および 180 °C で < 10-7 A、充電説明 6 中の詳細情報を参照) ——Smith 等 19前述の重要な点は、初期の研究で使用された材料 17,20 でこのような性能が得られているということです。これらのmlcの漏洩は非常に大きいため（750 Vおよび180 °Cでの場合<10-7 A、詳細説明6中详细情報を参照）））） — 等 19 关键 关键点相比下相比下相比の下 相比の下 相比の下 相比の下 相比の下 相比の下 相比の下 相比の下 相比の下 相比の下 相比の下 相比の下 相比の下 相比の下 相比の下 相比の下 相比の下 相比の下それに比べて、初期の研究で使用された材料１７．２０は、このような性能を達成している。 Поскольку ток утечки этих MLC очень низкий (<10–7 А при 750 В и 180 °C, см. подробности в дополнительном) примечании 6) — ключевой момент, упомянутый Смитом и др. 19 — 日、日、日。 これらのMLCの漏洩電流は非常に低い（750V、180℃で10⁻⁷A未満、詳細は補足資料6を参照）ため、比較のためにSmithら19が言及した重要なポイントとして、これらの性能が達成されました。以前の研究で使用された材料17,20。
スターリングサイクルにも同じ条件（600 V、20～90 °C）を適用した（補足資料7）。DEサイクルの結果から予想されたとおり、収量は41.0 mJであった。スターリングサイクルの最も顕著な特徴の1つは、熱電効果によって初期電圧を増幅できることである。我々は最大39の電圧ゲイン（初期電圧15 Vから最終電圧最大590 Vまで、補足図7.2参照）を観測した。
これらの MLC のもう 1 つの特徴は、ジュール範囲のエネルギーを収集するのに十分な大きさのマクロな物体であることです。そのため、図に示すように、Torello ら 14 が説明したのと同じ平行平板設計に従って、厚さ 1 mm の MLC PST 28 個を使用してプロトタイプ ハーベスター (HARV1) を構築し、7×4 のマトリックスに配置しました。マニホールド内の熱を運ぶ誘電体流体は、流体温度が一定に保たれる 2 つのリザーバー間で蠕動ポンプによって置換されます (方法)。図 2a で説明されている Olson サイクルを使用して、10°C と 125°C の等温領域と 0 と 750 V (195 kV cm-1) の等電界領域を使用して、最大 3.1 J を収集します。これは、3.14 J cm-3 のエネルギー密度に相当します。この組み合わせを使用して、さまざまな条件下で測定が行われました (図 2b)。なお、1.8 Jという値は、80 °Cの温度範囲と600 V（155 kV cm-1）の電圧で得られたものです。これは、同じ条件下で厚さ1 mmのPST MLCに対して先に述べた65 mJという値（28 × 65 = 1820 mJ）とよく一致しています。
a、オルソンサイクルで動作する厚さ1 mmの28個のMLC PST（4行×7列）に基づく組み立て済みHARV1プロトタイプの実験セットアップ。4つのサイクルステップそれぞれについて、プロトタイプに温度と電圧が供給されます。コンピュータは、冷熱リザーバーと温熱リザーバーの間で誘電性流体を循環させる蠕動ポンプ、2つのバルブ、および電源を駆動します。コンピュータはまた、熱電対を使用して、プロトタイプに供給される電圧と電流、および電源からのコンバインの温度に関するデータを収集します。b、異なる実験における、4×7 MLCプロトタイプによって収集されたエネルギー（カラー）と温度範囲（X軸）および電圧（Y軸）の関係。
60 枚の PST MLC 1 mm 厚と 160 枚の PST MLC 0.5 mm 厚 (41.7 g の活性焦電材料) を使用した大型のハーベスター (HARV2) では 11.2 J が得られました (補足資料 8)。1984 年に、Olsen は 317 g の錫ドープ Pb(Zr,Ti)O3 化合物をベースとしたエネルギーハーベスターを作成し、約 150 °C の温度で 6.23 J の電気を生成しました (参考文献 21)。この組み合わせでは、ジュール範囲で入手可能な他の値はこれだけです。これは、我々が達成した値の半分強で、品質は 7 倍近くになります。つまり、HARV2 のエネルギー密度は 13 倍高いということです。
HARV1 のサイクル周期は 57 秒です。これは、厚さ 1 mm の MLC セットを 4 列 7 列で使用して 54 mW の電力を生成しました。さらに一歩進んで、厚さ 0.5 mm の PST MLC を使用し、HARV1 および HARV2 と同様の構成で 3 番目のコンバイン (HARV3) を構築しました (補足ノート 9)。熱化時間は 12.5 秒と測定されました。これは、サイクル時間 25 秒に相当します (補足図 9)。収集されたエネルギー (47 mJ) は、MLC あたり 1.95 mW の電力を与え、これにより HARV2 は 0.55 W (約 1.95 mW × 280 個の厚さ 0.5 mm の PST MLC) を生成すると想定できます。さらに、HARV1 実験に対応する有限要素シミュレーション (COMSOL、補足ノート 10 および補足表 2～4) を使用して熱伝達をシミュレーションしました。有限要素モデリングにより、MLCを0.2 mmに薄くし、冷却剤として水を使用し、マトリックスを7行×4列に戻すことで、同じ数のPST列に対してほぼ1桁高い出力値（430 mW）を予測することが可能になりました（さらに、タンクがコンバインの隣にある場合は960 mWでした。補足図10b）。
この集熱器の有用性を実証するために、厚さ0.5 mmのPST MLCを2枚だけ熱コレクターとして、高電圧スイッチ、蓄電コンデンサ付き低電圧スイッチ、DC/DCコンバータ、低電力マイクロコントローラ、2つの熱電対、および昇圧コンバータのみで構成されるスタンドアロンのデモンストレータにスターリングサイクルを適用しました（補足資料11）。この回路では、蓄電コンデンサを最初に9Vで充電し、その後、2枚のMLCの温度が-5℃から85℃まで変化する間、自律的に動作します（ここでは160秒のサイクルで動作させました（いくつかのサイクルは補足資料11に示されています）。驚くべきことに、わずか0.3gの2枚のMLCでこの大型システムを自律的に制御できます。もう1つの興味深い特徴は、低電圧コンバータが400Vを10～15Vに79%の効率で変換できることです（補足資料11および補足図11.3）。
最後に、これらのMLCモジュールが熱エネルギーを電気エネルギーに変換する効率を評価した。効率の品質係数ηは、収集された電気エネルギー密度Ndと供給された熱密度Qinの比として定義される（補足資料12）。
図3a、bは、厚さ0.5 mmのPST MLCの温度範囲の関数として、オルセンサイクルの効率ηと比例効率ηrをそれぞれ示しています。両方のデータセットは、電界195 kV cm-1で示されています。効率\(\this\)は1.43%に達し、これはηrの18%に相当します。しかし、25 °Cから35 °Cまでの10 Kの温度範囲では、ηrは最大40%の値に達します（図3bの青い曲線）。これは、10 Kの温度範囲と300 kV cm-1でPMN-PTフィルムに記録されたNLP材料の既知の値（ηr = 19%）の2倍です（参考文献18）。 PST MLC の熱ヒステリシスが 5 ～ 8 K であるため、10 K 未満の温度範囲は考慮されませんでした。相転移が効率に及ぼす正の効果を認識することが重要です。実際、η と ηr の最適値は、図 3a、b で初期温度 Ti = 25°C でほぼすべて得られています。これは、磁場が印加されていないときに相転移が近接しており、これらの MLC のキュリー温度 TC が約 20 °C であるためです (補足資料 13)。
a、b、オルソンサイクルの効率ηと比例効率(a)\({\eta }_{{\rm{r}}}=\eta /{\eta}_{{\rm{Carnot}}、最大電界195 kV cm-1、異なる初期温度Tiの場合、}}\,\)(b) MPC PST 0.5 mm厚の場合、温度間隔ΔTspanに応じて。
後者の観察結果には、次の 2 つの重要な意味があります。(1) 電界誘起相転移 (常誘電体から強誘電体へ) が発生するためには、有効なサイクルは TC を超える温度で開始する必要があります。(2) これらの材料は、TC に近い実行時間でより効率的です。実験では大規模な効率が示されていますが、限られた温度範囲では、カルノー限界 (\(\Delta T/T\)) により、大きな絶対効率を達成することはできません。しかし、これらの PST MLC によって実証された優れた効率は、Olsen が「50 °C ～ 250 °C の温度で動作する理想的なクラス 20 再生熱電モーターは 30% の効率を持つことができる」と述べていることを正当化します 17。これらの値に到達し、概念をテストするには、Shebanov と Borman が研究したように、異なる TC を持つドープされた PST を使用することが有用です。彼らは、PSTのTCが3℃（Sbドーピング）から33℃（Tiドーピング）まで変化することを示した22。したがって、ドーピングされたPST MLCまたは強い一次相転移を持つ他の材料に基づく次世代焦電再生器は、最高の電力ハーベスターと競合できると我々は仮説を立てる。
本研究では、PST製のMLCを調査した。これらのデバイスは、複数のコンデンサが並列に接続された一連のPt電極とPST電極で構成されている。PSTは優れたEC材料であり、したがって潜在的に優れたNLP材料であるため選択された。PSTは、約20℃で鋭い一次強誘電体-常誘電体相転移を示し、そのエントロピー変化は図1に示すものと類似している。同様のMLCは、EC13,14デバイスについて完全に説明されている。本研究では、10.4 × 7.2 × 1 mm³と10.4 × 7.2 × 0.5 mm³のMLCを使用した。厚さ1 mmと0.5 mmのMLCは、それぞれ厚さ38.6 µmのPSTを19層と9層重ねて作製した。どちらの場合も、内側のPST層は厚さ2.05 µmの白金電極の間に配置した。これらの MLC の設計では、PST の 55% が活性であり、電極間の部分に相当すると想定しています (補足資料 1)。活性電極面積は 48.7 mm2 でした (補足表 5)。MLC PST は固相反応および鋳造法によって作製されました。作製プロセスの詳細は、以前の記事 14 に記載されています。PST MLC と以前の記事との違いの 1 つは、B サイトの順序であり、これは PST の EC の性能に大きく影響します。PST MLC の B サイトの順序は 0.75 (補足資料 2) であり、1400 °C での焼結後、1000 °C で数百時間焼鈍することによって得られます。PST MLC の詳細については、補足資料 1-3 および補足表 5 を参照してください。
この研究の主なコンセプトはオルソンサイクル（図1）に基づいています。このようなサイクルでは、高温および低温のリザーバーと、さまざまなMLCモジュールの電圧と電流を監視および制御できる電源が必要です。これらの直接サイクルでは、2つの異なる構成が使用されました。すなわち、（1）Keithley 2410電源に接続された1つのMLCを加熱および冷却するLinkamモジュール、および（2）同じ電源エネルギーで並列接続された3つのプロトタイプ（HARV1、HARV2、およびHARV3）です。後者の場合、2つのリザーバー（高温および低温）とMLC間の熱交換には、誘電性流体（25℃で粘度5 cPのシリコーンオイル、Sigma Aldrichから購入）が使用されました。熱リザーバーは、誘電性流体で満たされ、熱プレートの上に置かれたガラス容器で構成されています。低温貯蔵は、水と氷で満たされた大きなプラスチック容器内の誘電性流体を含む液体チューブを備えた水浴で構成されています。 2 つの 3 方向ピンチバルブ (Bio-Chem Fluidics から購入) をコンバインの両端に配置し、流体を一方のリザーバーからもう一方のリザーバーに適切に切り替えます (図 2a)。PST-MLC パッケージと冷却剤の間で熱平衡を確保するために、入口と出口の熱電対 (PST-MLC パッケージのできるだけ近く) が同じ温度を示すまでサイクル期間を延長しました。Python スクリプトは、すべての計器 (ソース メーター、ポンプ、バルブ、熱電対) を管理および同期して、正しいオルソン サイクルを実行します。つまり、ソース メーターが充電された後、冷却ループが PST スタックを循環し始め、指定されたオルソン サイクルで必要な印加電圧で加熱されます。
あるいは、収集したエネルギーの直接測定を間接的な方法で確認しました。これらの間接的な方法は、異なる温度で収集した電気変位（D）－電界（E）フィールドループに基づいており、2つのDEループ間の面積を計算することで、図2.1bに示すように、どれだけのエネルギーを収集できるかを正確に推定できます。これらのDEループは、Keithleyソースメータを使用して収集されます。
厚さ 1 mm の PST MLC 28 個を、参考文献 14 に記載されている設計に従って、4 列 7 列の平行平板構造に組み立てた。PST-MLC 列間の流体ギャップは 0.75 mm である。これは、PST MLC の縁に液体スペーサーとして両面テープのストリップを追加することによって実現される。PST MLC は、電極リードに接触する銀エポキシブリッジと並列に電気的に接続される。その後、電源に接続するために、電極端子の両側に銀エポキシ樹脂でワイヤを接着した。最後に、構造全体をポリオレフィンホースに挿入する。後者は、適切なシールを確保するために流体チューブに接着される。最後に、入口および出口の液体温度を監視するために、厚さ 0.25 mm の K 型熱電対を PST-MLC 構造の両端に組み込んだ。これを行うには、まずホースに穴を開ける必要がある。熱電対を取り付けた後、シールを復元するために、熱電対ホースとワイヤの間に以前と同じ接着剤を塗布する。
8 個のプロトタイプが別々に製作され、そのうち 4 個は 5 列 8 行の平行板として配置された 0.5 mm 厚の MLC PST が 40 個あり、残りの 4 個はそれぞれ 1 mm 厚の MLC PST が 15 個あり、3 列 × 5 行の平行板構造になっています。使用された PST MLC の総数は 220 個 (0.5 mm 厚が 160 個、1 mm 厚の PST MLC が 60 個) でした。これら 2 つのサブユニットを HARV2_160 および HARV2_60 と呼びます。プロトタイプ HARV2_160 の液体ギャップは、厚さ 0.25 mm の両面テープ 2 枚と、その間に厚さ 0.25 mm のワイヤで構成されています。HARV2_60 プロトタイプでは、同じ手順を繰り返しましたが、厚さ 0.38 mm のワイヤを使用しました。対称性を保つため、HARV2_160とHARV2_60はそれぞれ独自の流体回路、ポンプ、バルブ、および冷却側を備えています（補足資料8）。2つのHARV2ユニットは、回転磁石付きの2枚のホットプレート上の3リットル容器（30cm x 20cm x 5cm）である熱貯蔵器を共有します。8つの個々のプロトタイプはすべて電気的に並列に接続されています。HARV2_160とHARV2_60サブユニットはオルソンサイクルで同時に動作し、11.2Jのエネルギーを収穫します。
厚さ0.5mmのPST MLCを両面テープとワイヤーで両側からポリオレフィンホース内に挿入し、液体が流れるための空間を確保します。試作品は小型であるため、温水または冷水のリザーバーバルブのすぐそばに配置し、サイクルタイムを最小限に抑えました。
PST MLCでは、加熱分岐に一定電圧を印加することで一定の電界が印加されます。その結果、負の熱電流が発生し、エネルギーが蓄積されます。PST MLCを加熱した後、電界が除去され（V = 0）、蓄積されたエネルギーがソースカウンタに戻されます。これは、収集されたエネルギーの1回の寄与に相当します。最後に、電圧V = 0を印加して、MLC PSTを初期温度まで冷却し、サイクルを再び開始できるようにします。この段階では、エネルギーは収集されません。Keithley 2410 SourceMeterを使用してOlsenサイクルを実行し、電圧源からPST MLCを充電し、電流マッチングを適切な値に設定して、充電フェーズ中に十分なポイントが収集され、信頼性の高いエネルギー計算が可能になるようにしました。
スターリングサイクルでは、PST MLCは、初期電界値（初期電圧Vi > 0）、充電ステップが約1秒かかるように所望のコンプライアンス電流（そしてエネルギーを確実に計算するのに十分なポイントが収集される）、および低温で電圧源モードで充電されました。 スターリングサイクルでは、PST MLCは、初期電界値（初期電圧Vi > 0）、充電ステップが約1秒かかるように所望のコンプライアンス電流（そしてエネルギーを確実に計算するのに十分なポイントが収集される）、および低温で電圧源モードで充電されました。 В циклах Стирлинга PST MLC заряжались в режиме источника напряжения при начальном значении электрического поля (начальное напряжение Vi > 0), желаемом податливом токе, так что этап зарядки занимает около 1 с (и набирается) достаточное количество точек для надежного расчета энергия) и холодная температура. スターリング PST MLC サイクルでは、電圧源モードで初期電界値 (初期電圧 Vi > 0)、所望の出力電流で充電され、充電段階は約 1 秒かかり (信頼性の高いエネルギー計算のために十分な数のポイントが収集されます)、低温で充電されます。イエス・キリストのサイクル中、PST MLC は電源モードで初期電圧値 (初期電圧 Vi > 0) で充電され、充電ステップを実現するには必要な電圧が必要です 1秒（そしてエネルギーを適切に計算するために十分なポイントを収集します）と低温。 マスターサイクルでは、PST MLCは電圧源モードで初期電界値（初期電圧Vi > 0）で充電されるため、必要なコンプライアンス電流の充電ステップは約1秒かかります（そして、（エネルギー）と低温を確実に計算するのに十分なポイントを収集しました）。 В цикле Стирлинга PST MLC заряжается в режиме источника напряжения с начальным значением электрического поля (начальное напряжение Vi > 0), требуемый ток податливости таков, что этап зарядки занимает около 1 с (и набирается) достаточное количество точек、чтобы надежно рассчитать энергию) изкие температуры。 スターリングサイクルでは、PST MLCは電圧源モードで初期電界値（初期電圧Vi > 0）で充電され、必要なコンプライアンス電流は充電ステージが約1秒かかる（そしてエネルギーを確実に計算するのに十分な数のポイントが収集される）ようなものであり、低温で行われます。PST MLCが加熱する前に、I = 0 mAの整合電流を印加して回路を開きます（測定源が処理できる最小整合電流は10 nAです）。その結果、MJKのPSTに電荷が残り、サンプルが加熱されるにつれて電圧が上昇します。I = 0 mAであるため、アームBCにはエネルギーは収集されません。高温に達すると、MLT FTの電圧が上昇し（場合によっては30倍以上、追加図7.2を参照）、MLK FTが放電され（V = 0）、初期電荷と同じ量の電気エネルギーが蓄積されます。同じ電流がメーターソースに戻されます。電圧ゲインにより、高温での蓄積エネルギーはサイクルの開始時に供給されたエネルギーよりも高くなります。したがって、熱を電気に変換することでエネルギーが得られます。
私たちは Keithley 2410 SourceMeter を使用して、PST MLC に印加される電圧と電流を監視しました。対応するエネルギーは、Keithley のソースメータで読み取った電圧と電流の積を積分することによって計算されます。\ (E = {\int }_{0}^{\tau }{I}_({\rm {meas))}\left(t\ right){V}_{{\rm{meas}}}(t)\)、ここで τ は周期の周期です。私たちのエネルギー曲線では、正のエネルギー値は MLC PST に与えるエネルギーを意味し、負の値は MLC から抽出するエネルギー、つまり受け取るエネルギーを意味します。特定の収集サイクルの相対電力は、収集されたエネルギーをサイクル全体の周期 τ で割ることによって決定されます。
すべてのデータは本文または補足情報に記載されています。資料請求や問い合わせは、本記事に掲載されているATまたはEDデータの提供元までご連絡ください。
Ando Junior、OH、Maran、ALO、Henao、NC エネルギーハーベスティングのための熱電マイクロジェネレータの開発と応用に関するレビュー。 Ando Junior、OH、Maran、ALO、Henao、NC エネルギーハーベスティングのための熱電マイクロジェネレータの開発と応用に関するレビュー。オハイオ州のAndo Junior、ALOのMaran、ノースカロライナ州のHenaoによる、エネルギーハーベスティングのための熱電マイクロジェネレータの開発と応用に関する概要。 オハイオ州のアンドー・ジュニア氏、アラバマ州マラン氏、ノースカロライナ州ヘナオ氏は、エネルギーを収集するための熱電マイクロ型発電機の開発と応用を振り返りました。 オハイオ州安藤ジュニア、ALO 州マラン、ノースカロライナ州ヘナオオハイオ州の安藤ジュニア、ALOのマラン、ノースカロライナ州のヘナオは、エネルギーハーベスティングのための熱電マイクロ発電機の開発と応用を検討している。履歴書。サポート。エネルギーレビュー91、376–393（2018）。
Polman, A.、Knight, M.、Garnett, EC、Ehrler, B.、Sinke, WC 太陽光発電材料：現在の効率と将来の課題。 Polman, A.、Knight, M.、Garnett, EC、Ehrler, B.、Sinke, WC 太陽光発電材料：現在の効率と将来の課題。Polman, A.、Knight, M.、Garnett, EK、Ehrler, B.、Sinke, VK「太陽光発電材料：現在の性能と将来の課題」 Polman, A.、Knight, M.、Garnett, EC、Ehrler, B. & Sinke, WC 光伏材料：現在の効率と将来の挑戦。 Polman, A.、Knight, M.、Garnett, EC、Ehrler, B.、Sinke, WC 太陽電池材料：現在の効率と将来の課題。Polman, A.、Knight, M.、Garnett, EK、Ehrler, B.、Sinke, VK「太陽光発電材料：現在の性能と将来の課題」サイエンス352、aad4424（2016）。
Song, K.、Zhao, R.、Wang, ZL、Yang, Y.「自己給電型同時温度・圧力センシングのための複合焦電圧電効果」 Song, K.、Zhao, R.、Wang, ZL、Yang, Y.「自己給電型同時温度・圧力センシングのための複合焦電圧電効果」Song K.、Zhao R.、Wang ZL、Yan Yu。「温度と圧力の自律的同時測定のための複合パイロピエゾ電気効果」。 Song, K.、Zhao, R.、Wang, ZL、および Yang, Y. は、温度と圧力を同時に伝達する結合熱圧力効果を研究しました。 Song, K.、Zhao, R.、Wang, ZL、Yang, Y. 温度と圧力と同時に自己発電を行う。Song K.、Zhao R.、Wang ZL、Yan Yu。熱圧電効果を組み合わせた温度と圧力の自律的同時測定。Forward. alma mater 31, 1902831 (2019).
Sebald, G.、Pruvost, S.、Guyomar, D.「緩和型強誘電体セラミックにおけるエリクソン焦電サイクルに基づくエネルギーハーベスティング」 Sebald, G.、Pruvost, S.、Guyomar, D.「緩和型強誘電体セラミックにおけるエリクソン焦電サイクルに基づくエネルギーハーベスティング」Sebald G.、Prouvost S.、Guyomar D.「緩和型強誘電体セラミックスにおける焦電エリクソンサイクルに基づくエネルギーハーベスティング」Sebald G.、Prouvost S.、Guyomar D.「エリクソン焦電サイクルに基づくリラクサー強誘電体セラミックスにおけるエネルギーハーベスティング」Smart alma mater. structure. 17, 15012 (2007).
Alpay, SP、Mantese, J.、Trolier-Mckinstry, S.、Zhang, Q.、Whatmore, RW「固体電気熱エネルギー相互変換のための次世代電気熱量材料および焦電材料」 Alpay, SP、Mantese, J.、Trolier-Mckinstry, S.、Zhang, Q.、Whatmore, RW「固体電気熱エネルギー相互変換のための次世代電気熱量材料および焦電材料」 アルペイ、SP、マンティース、J.、トロリエ・マッキンストリー、S.、チャン、Q. & ワットモア、RW Сзаимного преобразования твердотельной электротермической энергии. Alpay, SP、Mantese, J.、Trolier-Mckinstry, S.、Zhang, Q.、Whatmore, RW「固体電気熱エネルギー相互変換のための次世代電気熱量効果および焦電効果材料」 Alpay, SP、Mantese, J.、Trolier-Mckinstry, S.、Zhang, Q. & Whatmore, RW は、相互変換可能な固体電気熱および熱伝導性材料に使用されました。 Alpay, SP、Mantese, J.、Trolier-Mckinstry, S.、Zhang, Q.、Whatmore, RW アルペイ、SP、マンティース、J.、トロリエ・マッキンストリー、S.、チャン、Q. & ワットモア、RW Сзаимного преобразования твердотельной электротермической энергии. Alpay, SP、Mantese, J.、Trolier-Mckinstry, S.、Zhang, Q.、Whatmore, RW「固体電気熱エネルギー相互変換のための次世代電気熱量効果および焦電効果材料」Lady Bull. 39, 1099–1109 (2014).
Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. 焦電ナノ発電機の性能を定量化するための標準と性能指数。 Zhang, K., Wang, Y., Wang, ZL & Yang, Y. 焦電ナノ発電機の性能を定量化するための標準と性能指数。Zhang, K.、Wang, Y.、Wang, ZL、Yang, Yu。焦電ナノ発電機の性能を定量化するための標準および品質スコア。 Zhang, K.、Wang, Y.、Wang, ZL、Yang, Y. は、ホットエレクトロニクス発電機の性能の基準と品目を数値化するために使用しました。 Zhang, K.、Wang, Y.、Wang, ZL、Yang, Y.Zhang, K.、Wang, Y.、Wang, ZL、Yang, Yu.「焦電ナノ発電機の性能を定量化するための基準と性能指標」Nano Energy 55, 534–540 (2019).
Crossley, S.、Nair, B.、Whatmore, RW、Moya, X.、Mathur, ND「電界変動による真の再生を伴う鉛スカンジウムタンタル酸塩における電気熱量冷却サイクル」 Crossley, S.、Nair, B.、Whatmore, RW、Moya, X.、Mathur, ND「電界変動による真の再生を伴う鉛スカンジウムタンタル酸塩における電気熱量冷却サイクル」Crossley, S.、Nair, B.、Watmore, RW、Moya, X.、Mathur, ND「電界変調による真の再生を伴う鉛スカンジウムタンタル酸塩における電気熱量冷却サイクル」 Crossley, S.、Nair, B.、Whatmore, RW、Moya, X. & Mathur, ND の钽酸钪铅の電気熱冷却サイクルは、現場での変換によって真正な再生を実現します。 Crossley, S.、Nair, B.、Whatmore, RW、Moya, X.、Mathur, ND。タンタル酸塩の電気は、セルの水、水、水、ガスをオンラインで要求します。Crossley, S.、Nair, B.、Watmore, RW、Moya, X.、Mathur, ND「電界反転による真の再生のためのスカンジウム鉛タンタル酸塩の電気熱冷却サイクル」Physics Rev. X 9, 41002 (2019).
Moya, X.、Kar-Narayan, S.、Mathur, ND 強誘電相転移近傍の熱量材料。 Moya, X.、Kar-Narayan, S.、Mathur, ND 強誘電相転移近傍の熱量材料。Moya, X.、Kar-Narayan, S.、Mathur, ND「強磁性相転移近傍の熱量材料」 Moya, X.、Kar-Narayan, S.、Mathur, ND の近傍の熱材料。 Moya, X.、Kar-Narayan, S.、Mathur, ND 鉄冶金近傍の熱材料。Moya, X.、Kar-Narayan, S.、Mathur, ND 鉄の相転移付近の熱材料。ナット。母校 13、439–450 (2014)。
Moya, X. & Mathur, ND 冷却および加熱用の熱量材料。 Moya, X. & Mathur, ND 冷却および加熱用の熱量材料。Moya, X. および Mathur, ND 冷却および加熱用の熱材料。 Moya, X.およびMathur, NDは、冷却および加熱するための熱材料を使用した。 Moya, X. & Mathur, ND 冷却および加熱用の熱材料。Moya X. および Mathur ND 冷却および加熱用の熱材料。サイエンス370、797–803（2020）。
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Olsen, RB & Brown, DD 高効率な熱から電気エネルギーへの直接変換に関連する焦電測定。 Olsen, RB & Brown, DD 熱エネルギーから電気エネルギーへの高効率直接変換に関連する焦電測定。Olsen, RB および Brown, DD 焦電測定に関連した、熱エネルギーから電気エネルギーへの非常に効率的な直接変換。 Olsen, RB および Brown, DD は、熱量を電気エネルギーに関連する熱電圧に直接変換しました。 オルセン、RB & ブラウン、DDOlsen, RB および Brown, DD 焦電測定に関連した熱から電気への効率的な直接変換。Ferroelectrics 40, 17–27 (1982).
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Smith, AN & Hanrahan, BM カスケード型焦電変換：強誘電相転移と電気損失の最適化。 Smith, AN & Hanrahan, BM カスケード型焦電変換：強誘電相転移と電気損失の最適化。Smith, AN および Hanrahan, BM カスケード型焦電変換：強誘電相転移と電気損失の最適化。 Smith, AN と Hanrahan, BM は、熱電変換​​: 電気相と電力消費を促進します。 スミス、AN & ハンラハン、BMSmith, AN および Hanrahan, BM カスケード型焦電変換：強誘電相転移と電気損失の最適化。J.応用物理学128、24103（2020）。
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MLCの作成にご協力いただいたN. Furusawa、Y. Inoue、K. Hondaに感謝いたします。PL、AT、YN、AA、JL、UP、VK、OB、ED ルクセンブルク国立研究財団（FNR）がCAMELHEAT C17/MS/11703691/Defay、MASSENA PRIDE/15/10935404/Defay- Siebentritt、THERMODIMAT C20/MS/14718071/Defay、BRIDGES2021/MS/16282302/CECOHA/Defayを通じてこの研究を支援してくださったことに感謝いたします。
ルクセンブルク工科大学（LIST）材料研究技術学部、ベルヴォワール、ルクセンブルク