Printed organic micro thermoelectric generators

The ever-increasing global energy demand, fueled by rising populations and economic growth, poses a significant challenge in transitioning from fossil fuels to low-carbon energy sources. This challenge is exacerbated by the rapid proliferation of electronic devices and the Internet of Things (IoT), which further amplifies energy consumption. Strikingly, more than 70% of the primary energy produced for global consumption is wasted as low-grade heat (<100°C) due to inefficiencies in energy conversion processes. If a reliable and efficient technology could harness even a fraction of this wasted energy, it would significantly bridge the gap between global energy supply and demand. Thermoelectric generators (TEGs) present a promising solution, leveraging the Seebeck effect to generate electric current from otherwise wasted heat. While inorganic TEGs have found niche applications, their widespread adoption has been hindered by high costs, energy-intensive processing, and limited versatility. Organic TEGs, on the other hand, offer a complementary approach, ideal for harvesting low-grade heat and powering distributed applications with low power demands. Organic thermoelectric materials derived from Earth-abundant elements can be synthesized using green approaches, enabling cost-effective, sustainable, and scalable manufacturing through techniques like large-area printing. Additionally, their highly tunable properties allow customization for specific applications. Despite the potential of organic TEGs, examples of devices in literature are scarce, and many reported devices lack intentional design and application-focused considerations. To bridge this gap, this work focuses on designing and fabricating application-focused organic TEGs, harnessing scalable architectures, minimizing material waste, targeting specific use cases, and adopting appropriate form factors. By embracing an application-focused approach, the community can build a valuable catalog of potential use cases, scalable fabrication methods, durable encapsulation techniques, and innovative integration strategies, facilitating the efficient transfer of this technology from the lab to real-world applications.

La crescente domanda globale di energia, alimentata dall'aumento della popolazione e dalla crescita economica, rappresenta una sfida significativa nella transizione dai combustibili fossili alle fonti di energia a basso contenuto di carbonio. Questa sfida è ulteriormente aggravata dalla rapida proliferazione dei dispositivi elettronici e dell'Internet delle cose (IoT), che amplificano ulteriormente il consumo energetico. Sorprendentemente, più del 70% dell'energia primaria prodotta per il consumo globale viene sprecata come calore a bassa temperatura (<100°C) a causa delle inefficienze nei processi di conversione dell'energia. Se una tecnologia affidabile ed efficiente potesse sfruttare anche solo una frazione di questa energia sprecata, colmerebbe significativamente il divario tra la domanda e l'offerta energetica globale. I generatori termoelettrici (TEG) presentano una soluzione promettente, sfruttando l'effetto Seebeck per generare corrente elettrica dal calore altrimenti sprecato. Mentre i TEG inorganici hanno trovato applicazioni di nicchia, la loro adozione diffusa è stata ostacolata da costi elevati, processi di produzione ad alta intensità energetica e versatilità limitata. I TEG organici, d'altra parte, offrono un approccio complementare, ideale per sfruttare il calore a bassa temperatura e alimentare applicazioni distribuite con basse esigenze di potenza. I materiali termoelettrici organici derivati da elementi abbondanti sulla Terra possono essere sintetizzati utilizzando approcci ecologici, consentendo una produzione economica, sostenibile e scalabile attraverso tecniche come la stampa su larga area. Inoltre, le loro proprietà altamente modulabili permettono la personalizzazione per applicazioni specifiche. Nonostante il potenziale dei TEG organici, gli esempi di dispositivi presenti nella letteratura sono scarsi, e molti dispositivi segnalati mancano di un design intenzionale e considerazioni orientate all'applicazione. Per colmare questa lacuna, questo lavoro si concentra sulla progettazione e fabbricazione di TEG organici orientati all'applicazione, sfruttando architetture scalabili, minimizzando lo spreco di materiali, mirati a casi d'uso specifici e adottando fattori di forma appropriati. Abbracciando un approccio orientato all'applicazione, la comunità può costruire un catalogo prezioso di potenziali casi d'uso, metodi di fabbricazione scalabili, tecniche di incapsulamento durevoli e strategie di integrazione innovative, facilitando il trasferimento efficiente di questa tecnologia dal laboratorio alle applicazioni nel mondo reale.