陈光教授、唐国栋教授团队在环境友好型低成本热电材料研究方面取得重要进展

来源:材料科学与工程学院格莱特发布时间:2021-02-28点击:108

近日,我校材料学院/格莱特研究院陈光、唐国栋教授团队在环境友好型低成本热电材料研究方面取得重要进展,该工作以Realizing high thermoelectric performance in eco-friendly SnTe via synergistic resonance levels, band convergence and endotaxial nanostructuring with Cu2Te为题发表在Nano Energy上(IF=17.38)。博士生Tanveer Hussain为第一作者,陈光教授和唐国栋教授为论文通讯作者。

热电转换技术利用固体中载流子运动和声子输运及其相互作用能够实现热能和电能之间的直接相互转换,在温差发电和便携式制冷等领域有重大应用价值。随着环境保护形势的日益严峻,研究和开发清洁能源已成为全球科学研究的重点领域。热电转换技术凭借其系统体积小、无噪音、无污染、适用温度范围广、可靠性高等突出优点被广泛关注。研发具有高热电性能材料进而实现高效能量转换是实现热电材料规模应用的关键,当前国家、行业和企业对热电新技术的需求十分迫切。

碲化铅热电材料由于其优异的性能在军事和航空航天领域得到广泛应用,但其有一个致命缺点-含有铅元素,对环境不友好。SnTe有望替代PbTe,成为一类环境友好型中温区热电材料,由于高本征Sn空位,SnTe中空穴载流子浓度极高,使其具有低塞贝克系数和高电子热导率,同时它的晶格热导率也很高,从而导致其热电性能不是很好,严重阻碍了SnTe 热电材料的广泛应用。针对上述问题,研究团队分析了SnTe的能带结构,发现SnTe中共振态能级位置和轻/重价带能量差具有良好的匹配性,这预示价带收敛和共振能级可在SnTe中协同作用,实现较大温区内塞贝克系数和功率因子的全面提升。创新性地提出利用In掺杂在SnTe费米能级附近产生共振态能级,结合Ca掺杂导致价带收敛,通过两种能带调控机理协同作用(图1),使得SnTe的塞贝克系数和功率因数在较大温区内实现了全面提升,实验测得材料的最大功率因数高达42.2μWcm-1K-2

1. In/Ca共掺SnTe材料的能带结构

考虑到共格纳米析出相对载流子迁移率和功率因子的抑制作用很小,其声子散射的弛豫时间比其它声子散射过程更短,对抑制材料晶格热导率更有效。进一步借助相分离策略,通过快速降温减少材料固溶度产生共格纳米析出相(图2),利用Cu2Te共格纳米相形成声子散射中心,调控SnTe的声子输运,使得材料晶格热导率明显降低,在823 K下降到0.75 Wm-1K-1

2. Cu2Te共格纳米相对抑制材料晶格热导率起重要作用

通过共振能级、能带集聚和共格纳米相的协同作用,使材料在823 KZT值提升至高达1.85,平均ZT值达到0.67,性能超过了国际上已报道的SnTe基热电材料(图3),为SnTe基热电材料在高效固态热电器件中的广泛应用铺平了道路。   

3. SnTe材料的热电优值

该研究得到了国家自然科学基金、江苏省自然科学基金、中央高校基本科研业务费专项资金重大研究计划的资助。


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