近期,固体所秦晓英研究员课题组在热电材料性能研究方面取得新进展,提出在n型碲化铋基合金中引入具有高载流子迁移率的纳米相,使基体材料保持高迁移率的同时降低热导率,最终提升其热电性能。相关结果在线发表在Journal
of Materials Chemistry A
(J. Mater. Chem. A 6, 9642-9649 杂志上。

以热电材料为核心部件的热电器件可以将热能和电能直接转换,无需运动部件,不产生噪音污染,也不排放任何有毒或温室气体。图1为以p型和n型热电材料为基础构筑的热电器件,它既可用于废热发电,也可用于固态制冷。其中BiSbTe已被认为是接近室温的理想p型热电材料;然而,对应的n型碲化铋基合金的热电性能相对较差,限制了其商业应用。研究表明,在碲化铋基合金中引入具有高载流子迁移率的纳米相,可以有效调控基体材料的热、电输运性能。

基于此,课题组研究人员通过球磨和放电等离子烧结法制备了一系列n型纳米相InSb复合的BiTeSe基材料(Bi2Te2.7Se0.3-f
(0≤f≤2.5vol.%))。其中复合样品Bi2Te2.7Se0.3-1.5
vol%InSb的热电优值ZT在323
K时达到1.22,为已报道的最高值。该体系中优异的热电性能主要归因于高载流子迁移率的纳米相InSb的引入,一方面使基体保持了高载流子迁移率,另一方面增强了界面散射,最终相果有效地散射了基体中的载热声子,最终使得复合材料具有极低晶格热导率的同时还保持高功率因子。Bi2Te2.7Se0.3-1.5
vol%InSb在300-425
K温度范围内的平均ZT为1.14,相比于前期文献报道值0.96增大了15%。

该工作得到国家自然科学基金、安徽省自然科学基金以及中科院固体所所长基金的支持。

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图1 热电发电(Seebeck效应)示意图, 热电制冷(Peltier效应)示意图。

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图2复合体系Bi2Te2.7Se0.3-f (f = 0,1.0,1.5,2.0和2.5 vol%) 的
热电势;载流子浓度;功率因子;热导率以及 晶格热导率随温度的变化关系。

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图3复合体系Bi2Te2.7Se0.3-f (f = 0,1.0,1.5,2.0和2.5 vol%) 的
ZT值与温度对应关系曲线;该体系中 最高ZT值及
平均ZT值与文献报道值的对比关系图。

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