熱電材料向含量更豐富、毒性和成本更低的熱電技術領域邁近了一步

2021-01-09 測試狗科研服務

【背景介紹】

如今，利用熱電技術可以實現熱能和電能之間的可逆轉換，為通過收集廢熱發電或固態冷卻進行製冷提供了一條環境友好的途徑。其中，熱電技術的轉換效率主要由熱電材料的性質所決定。然而，目前許多高性能的熱電材料是由昂貴或有毒的材料製成的。對於給定的熱電材料，熱電技術的轉換效率主要由品質因數（ZT）所決定。雖然利用頻帶收斂、頻帶平坦化或狀態密度（DOS）失真來可以優化功率因數，通過引入納米結構或全尺度分層體系結構可以降低熱導率，上述兩者都可以改善ZT，但是這些方法都存在成本高或者未解決本質問題。因此，開發出高性能且低成本的熱電材料將非常有助於推廣熱電技術的應用領域。

【成果簡介】

今日，北京航空航天大學的趙立東教授（通訊作者）團隊報導了一種低成本、高性能的三組分熱電材料—SnS0.91Se0.09。通過研究空穴摻雜的硫化錫（SnS）晶體中三個獨立能帶在不同溫度下的相互作用，得出了三個能帶對溫度的依賴性規律。並且利用該規律，作者同時實現了有效質量（m*）和載流子遷移率（μ）之間的協同優化，並且通過摻雜硒（Se）使熱電性能進一步增強。研究發現，該熱電材料在300 K時功率因子由30 mW cm-1 K-2（SnS）提高到53 mW cm-1 K-2（SnS0.91Se0.09），同時向SnS中摻雜Se導致材料的熱導率下降。在SnS0.91Se0.09晶體中，在873 K時獲得最高的品質因數（ZTmax）為1.6，在300-873 K時獲得平均ZT（ZTave）為1.25。該工作不僅為優化熱電性能提供了新途徑，而且使以高性能SnS晶體為代表的熱電材料向低成本且含量豐富的環保熱電邁出重要一步。研究成果以題目為「High thermoelectric performance in low-cost SnS0.91Se0.09 crystals」發表在國際頂級期刊Science上。

【圖文速遞】

圖一、SnS1-xSex晶體的電傳輸性質與溫度的關係

圖二、理論模擬與溫度相關的電子能帶結構與電傳輸性質

圖三、ARPES觀察到的布裡淵帶和能帶結構

圖四、熱導率隨溫度和聲子能帶結構的變化

圖五、高性能SnS0.91Se0.09晶體的原子尺度結構

圖六、不同材料的ZT值、地球豐度和預計的發電效率

【研究小結】

總之，熱電材料將熱量轉換為電能對於熱量收集或冷卻應用極具吸引力。作者通過研究發現主要由Sn和S組成的材料可以進行優化以具有相對良好的熱電性能。將約10％的Se摻雜到SnS中，接著通過調控電子能帶來調節這些性能。對比目前使用的碲化物材料，該材料向含量更豐富、毒性更低和成本更低的熱電技術領域邁進了一步。

文獻連結：High thermoelectric performance in low-cost SnS0.91Se0.09 crystals (Science, 2019, DOI:10.1126/science.aax5123)

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