大幅提高熱電轉換效率!南科大團隊在熱電材料領域取得重要進展

2020-11-26 東方網

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&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp見圳客戶端．深圳新聞網2020年6月28日訊（見圳客戶端、深圳新聞網記者 金洪竹）近日，南方科技大學物理系講席教授何佳清團隊在熱電材料能量轉換研究中取得重要進展，相關成果以《在n型Bi2Te3基熱電材料中實現創紀錄的高性能》為題在能源和環境領域頂級期刊Energy ＆ Environmental Science在線發表。這是何佳清團隊繼今年1月發表「基於低成本PbS基熱電材料實現高效廢熱發電」的研究工作後，再次在該期刊上發表最新成果。

&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp目前，能源利用體系中超過60％的能量以廢熱的形式排放到環境中，其中50％以上的廢熱屬於難以回收利用的低溫（＜600K）、低品質廢熱。熱電材料由於其可將熱能和電能直接轉換的特性，能有效回收和利用體系中的低品質廢熱，從而受到人們廣泛關注。在實際應用中，需要p型和n型兩種熱電半導體材料來組成熱電器件，這兩種熱電半導體的匹配度越好，理論上由其製成的熱電器件的熱電轉換效率越高。

&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp作為目前唯一在室溫附近被廣泛商業應用為製冷的熱電材料，Bi2Te3基熱電材料是一種非常有潛力的可用於低品質廢熱回收且對環境友好的材料。p型Bi2Te3基熱電材料性能極高，但缺乏相對應的高性能n型材料，一定程度上限制了其熱電器件在商業上的應用。何佳清團隊在n型Bi2Te3材料中複合過量的Te單質，通過燒結使Te單質熔化流出，在基體中引入位錯陣列。該位錯陣列一方面增強了材料的擇優取向，優化了遷移率；另一方面結構的變化導致材料形變激活能波動，從而在導帶中形成能量勢阱，局域化低能電子，有效提高Seebeck係數，進而大幅提升功率因子。

&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp在此基礎上，通過Sb的複合摻雜，進一步優化載流子濃度，同時構建多尺度的納米散射機制，使材料中同時存在位錯陣列、晶格扭曲、刃型位錯以及點缺陷，顯著降低晶格熱導率。此外，課題組製備了由Bi1．8Sb0．2Te2．7Se0．3 ＋15 wt％ Te的n型熱電腿和Bi0．5Sb1．5Te3的p型熱電腿組成的熱電發電元器件，可實現6．6％的能量轉換效率，突破了目前Bi2Te3基熱電器件轉換效率的記錄。

&nbsp&nbsp&nbsp&nbsp據悉，該研究得到了國家自然科學基金重點項目、教育部重點實驗室、廣東省領軍人才計劃和深圳市科技創新委員會基金等項目的資助。

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