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热电资料是一种能够直接将热能转化为电能的功用资料,热电器材具有纯固态、无噪音、结构简略、可靠性高级长处,在温差发电和热电制冷等范畴有着宽广的使用远景。中国科学院宁波资料技能与工程研讨所光电热功用资料与器材团队一向环绕热电资料规划、器材制备技能和系统集成使用等要害科技问题展开多学科协同立异作业并取得系列研讨成果。
热电资料功用经过无量纲优值(ZT=S2σT/κ)来衡量,因为赛贝克系数(S)、电导率(σ)和热导率(κ)彼此耦合与约束,ZT值提高较为困难。宁波资料所光电热功用资料与器材团队在对Ⅳ-Ⅵ族化合物PbSe和SnSe的研讨中,发现了一种由自旋轨道耦合效应翻开带隙的热电资料新效应。其能带结构与拓扑绝缘体类似,由此导致一些显着有别于惯例热电半导体的输运特性,如立方相SnSe中赛贝克系数与电导率的解耦合、PbSe中失常的高赛贝克系数。这些新的效应为热电功用调控供给了新手法,丰厚了热电研讨的科学内涵(NanoEnergy2018,51:649;NanoEnergy2020,78:105232)。
图1Pb0.8Na0.10Sb0.08Cd0.02Se的低热导率与高赛贝克系数
近期,该团队研讨人员在PbSe中参加NaSbSe2进行合金化,经过改动固溶体晶格常数完成自旋轨道耦合强度调控。样品的能隙随晶格常数减小而增大,出现与纯相PbSe截然相反的趋势。根据自旋轨道耦合调控,在PbSe-NaSbSe2固溶体中取得了PbSe资料系统中最低的热导率和最高的赛贝克系数,展示了与传统热电资料悬殊的电热输运行为(如图1)。热电优值ZT大幅提高至1.6@850K,特别是对器材功用起决定效果的均匀ZT值为该系统的当时最高水平。相关研讨结果以“BoostingthethermoelectricperformanceofPbSefromthebandconvergencedrivenbyspin-orbitcoupling”为题发表于AdvancedEnergyMaterials2022,12:2103287。
图2(a)-(b)SnTe能带简并和多标准声子散射示意图,(c)热电资料与器材功用
Mn掺杂在SnTe中能够发生能带工程效应,协同优化赛贝克系数与电导率,但其较低的固溶度约束了资料功用的进一步提高。针对此问题,该团队研讨人员提出了构建SnTe-GeMnTe2中熵固溶体的立异解决方案。经过Ge与Mn元素等份额固溶,将Mn元素固溶度由8%左右明显提高至15%,由此完成了SnTe轻重价带顶能量的充沛简并;高份额的固溶还增强了声子散射并有用下降晶格热导率,然后完成了电热输运功用协同优化。此外,得益于中熵固溶体的强化效应和显微结构对位错移动的隔绝效果,SnTe基资料的机械功用提高了约150%(如图2)。研讨人员初次制备碲化锡基中低温热电发电器材,并取得具有竞争力的能量转化功率与输出功率密度。相关研讨结果以“RaisedsolubilityinSnTebyGeMnTe2alloyingenablesconvergedvalencebands,lowthermalconductivity,andhighthermoelectricperformance”为题发表于NanoEnergy2022,94:106940。
上述作业得到了国家自然科学基金(21875273、51872301、52002382、52002383和U21A2079)、中国科学院青年立异促进会(2019298),浙江省杰出青年基金(LR21E020002)和浙江省高水平人才专项支撑方案(2020R52032)的赞助。
来历:宁波资料所
论文链接
doi.org/10.1002/aenm.202103287
doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.106940
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