本文为类型a，即单一原创研究论文。以下为据此撰写的学术报告。

该研究由宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程系的Wenjie Li、Amin Nozariasbmarz、Han Byul Kang、Carter Dettor、Hangtian Zhu、Bed Poudel和Shashank Priya，以及国家可再生能源实验室的Ravi Anant Kishore共同完成。其中Wenjie Li、Bed Poudel和Shashank Priya为通讯作者。论文于2021年10月26日发表在ACS Applied Materials & Interfaces期刊上。

该研究属于热电能量转换领域，聚焦于中高温废热回收应用。热电发电机（thermoelectric generators, TEGs）基于塞贝克效应（Seebeck effect）可将废热直接转换为电能，在工业废热、电厂余热等领域具有重要应用前景。半赫斯勒（half-Heusler, HH）合金因其优异的热电优值（figure of merit, ZT）、机械强度和热稳定性，被视为中高温发电应用中最有前途的热电材料之一。然而，HH基热电模块在实际应用中长期面临三个根本性挑战：大直径晶圆材料性能不均匀、模块输出功率不足以及刚性平面结构难以与常见圆柱形或非平面热源直接集成。上述问题限制了TEG在过去三十余年间从实验室走向实际应用。本研究旨在实现具有均匀热电性能的大直径HH晶圆、高功率密度可适形（conformal）HH热电模块，并展示其在圆柱形烟气管等非平面热源上的直接集成能力。

研究首先进行了材料制备与表征。n型材料(Hf0.6Zr0.4)NiSn0.99Sb0.1通过感应熔炼、高能球磨和放电等离子烧结（spark plasma sintering, SPS）制备；p型材料Nb0.95Ti0.05FeSb通过高能球磨和SPS制备。研究人员系统测量了电导率、塞贝克系数、热导率等关键热电性能参数，并确定ZT值的不确定度约为±7%。烧结后的HH块体晶圆被抛光至2 mm厚度，再研磨至1.93 mm，高度偏差控制在±5 μm以内。随后，晶圆被切割为n型2.2 mm×2.2 mm和p型1.8 mm×1.8 mm的热电腿。该研究提出了一种新颖的“条带桥接”集成技术（strip-bridging technique）：首先将6对p-n热电腿焊接在条带直接键合铜（direct bonded copper, DBC）基板上制成6对模块，然后将12个条带模块通过柔性金属箔（厚度0.076 mm）串联桥接，最终制得包含72对热电腿的可适形模块，整体尺寸为4.2 cm×4.3 cm×4.4 cm。这种模块设计不仅赋予刚性无机HH材料以结构柔性，还便于规模放大和局部故障更换。接触电阻分析采用定制扫描探针测量系统完成，结果显示n型和p型腿的接触电阻均低于3 μΩ·cm2。扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDS）分析表明，Cu-Ag钎焊材料在界面处润湿良好，未出现扩散或空洞。模块性能测试在约10^-6 Torr真空环境下进行，采用8个加热器通过铜块提供热流，热端温度由两支热电偶监测以确保均匀性。氮化铝（AlN）板置于加热器与模块之间以平整接触并均匀化热流。镓铟共晶液态金属被涂覆于AlN板、模块热端和冷端及热沉表面，以最大限度减少界面热损失。数值模拟采用COMSOL Multiphysics软件求解热电耦合方程，对圆柱热管上可适形模块与刚性平面模块的温度分布、功率密度和转换效率进行对比模拟。模型先经实验数据验证，再用于参数分析。

在模块性能方面，72对可适形HH模块在温差（ΔT）为570 °C（热端温度约625 °C）条件下实现了3.13 W·cm^-2的器件功率密度和56.6 W的最大输出功率，这是文献报道中单个HH热电模块的最高输出功率和器件功率密度。内部电阻（Ri）随温差线性增加，且与单对模块表现一致，表明桥接部分引入的外部电阻可忽略不计。开路电压（Voc）随温差线性增加，说明Cu-Ag钎焊连接在整个测试温度范围内提供了良好的电接触。当外部负载与内部电阻匹配时获得最大输出功率，对应最优电流随温差增加而增大。在650 °C温差下，模块转换效率达到8.5%。研究人员利用同一热电腿尺寸（4 mm×4 mm×10 mm）和相似温差（约660 °C）对文献中的功率密度进行归一化比较，发现6对模块的功率密度比现有最优模块高150%以上，72对模块高115%以上。从单对模块到6对模块再到72对模块的功率放大分析显示，6对模块最大输出功率达到单对模块投影值的90%以上，72对模块达到80%以上，表明模块放大过程中接触电阻和非均匀性的负面影响得到了有效抑制。

数值模拟揭示了可适形设计的显著优势。当圆柱热管内表面温度设为700 °C时，外表面温度计算值为627 °C，即为可适形模块的热端温度。在冷端温度50 °C条件下，可适形模块获得了577 °C的温差，转换效率达9.0%，功率密度达4.1 W/cm^2。相比之下，刚性平面模块需要通过矩形框架间接集成到圆柱热管上。当该框架由结构钢制成且中段厚度为5 mm时，刚性模块热端温度从560 °C到402 °C不均匀分布，平均界面温度仅为498 °C，平均温差为448 °C，最终转换效率为7.2%，功率密度为2.6 W/cm^2，分别比可适形模块低25%和57%。值得注意的是，温度分布不均匀性和温度降会随框架厚度和热阻增加而进一步加剧。此外，该研究还分析了填充因子（fill factor, FF）的适应性优势。传统刚性模块的FF固定，当热流密度变化时热端温度随之波动，导致功率密度和转换效率急剧下降。而可适形模块可通过改变条带间距灵活调节FF，在热流密度从12 W/cm^2到72 W/cm^2范围内保持热端温度约600 °C，从而实现不同热流条件下转换效率的最大化。

该研究的核心结论是：通过条带桥接技术成功制备了大尺寸、可适形HH热电模块，在570 °C温差下实现了56.6 W输出功率和3.13 W·cm^-2器件功率密度。该模块设计具有两个突出优势：一是可变填充因子，能够适应不同热流密度条件并维持大温差；二是结构柔性，可直接集成到圆柱形等非平面热源上，获得比传统刚性平面模块更高的功率密度和转换效率。该可适形模块设计方法具有材料普适性，可推广至其他热电材料体系，从而在不同温度范围内实现废热回收。

该研究的亮点主要体现在三个方面。第一，首次将基于体相无机HH合金的可适形热电模块应用于超过500 °C的高温环境，突破了此前柔性热电模块仅适用于100 °C以下的限制。第二，通过创新的条带桥接集成方法，解决了大尺寸模块制造中多界面接触电阻累积和非均匀性控制的难题，在模块规模放大过程中保持了超过80%的单对模块输出功率比例。第三，通过实验与数值模拟相结合，定量证明了直接可适形集成相比间接刚性集成在功率密度和转换效率上的显著优势，为工业废热回收提供了切实可行的技术路径。