廢熱回收:摻雜改變熱膨脹係數,推動GeTe熱電材料實際應用

2020-12-01 科學網
廢熱回收：摻雜改變熱膨脹係數，推動GeTe熱電材料實際應用

 

熱電材料可以將熱能直接轉變為電能，實現工業餘廢熱和汽車尾氣廢熱的回收再利用，從而緩解能源危機。近年來，一系列新型高性能熱電材料相繼被發現並得到研究。其中，p型GeTe基熱電材料的最高熱電優值（ZT值）已突破2.0，理論能量轉換效率達到12%，其性能在中低溫區遠高於經典的填充方鈷礦材料等，顯示出極大的應用前景。

然而直到今天，GeTe基材料研究多停留在材料性能方面，而未有實用器件問世。其中最重要的難點在於，材料相變前後熱膨脹係數的巨大失配。GeTe材料在室溫下是菱方相，熱膨脹係數為11 *10-6 K-1；在700K左右轉變成立方相，熱膨脹係數猛增為23*10-6 K-1，是室溫相的兩倍；並且，GeTe在相變過程中還存在負熱膨脹係數區域。這種相變前後熱膨脹係數的巨大突變將會引起材料在升降溫過程中體積劇烈變化，不利於器件的製備和長期服役。

最近，中國科學院上海矽酸鹽研究所陳立東、史迅課題組在GeTe材料中同時摻雜Mg和Sb，有效提高了低溫相的熱膨脹係數，實現了GeTe菱方相與立方相熱膨脹係數的匹配，並通過對其電熱傳輸性能的調控獲得了高達1.84的熱電優值ZT，在此基礎上成功製備了具有高服役穩定性的GeTe基熱電單偶。相關研究結果以「Superior performance and high service stability for GeTe-based thermoelectric compounds」為題發表於《國家科學評論》（National Science Review，NSR）。

研究發現，(Mg, Sb)共摻可以改變GeTe菱方相結構的晶胞夾角，使其菱方相結構與立方相結構更為相近，從而大幅減小兩種結構的熱膨脹係數差異，並使負熱膨脹係數區間消失。

此外，研究者還探尋了摻雜對材料電熱傳輸性能的影響，從合成的一系列共摻化合物中尋找最優配比。當組分為Ge0.85Mg0.05Sb0.1Te時，菱方相熱膨脹係數為19´10-6 K-1，接近立方相熱膨脹係數（23*10-6 K-1）；其最高ZT值達1.84，在300-800 K溫區內平均ZT值達到1.2，與已報導的最優結果相當。

更進一步，研究者以Ti為阻擋層材料，Ni為電極材料，成功製備了具有優良輸出功率和服役穩定性的Ni/Ti/Ge0.85Mg0.05Sb0.1Te熱電單偶。這些結果有力地推動了高性能GeTe基熱電器件研製和應用研究。（來源：科學網）

相關論文信息：https://doi.org/10.1093/nsr/nwz052

 

 

 

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