南京理工大学ACS Nano：提升电子态密度在In、Ge掺杂SnSe纳米片中获得高宽温域热电性能

kongxy 1年前 (2023-01-10) 1385浏览

【导读】

热电材料可以实现热能与电能间的直接相互转换，是一种极具发展潜力的清洁能源材料。中温热电材料使用温度处于工业废热范围，采用热电转换技术回收工业废热发电，将产生巨大的经济和社会效益。SnSe是极具发展潜力的中高温热电材料体系之一，相比于SnSe单晶，多晶SnSe具有制备工艺简单，生产成本低，机械性能稳定等突出优点，具有广阔应用前景。然而受限于低电导率和高热导率，多晶SnSe的宽温域热电性能并不理想，限制了多晶SnSe的规模应用。

 

【成果掠影】

南京理工大学唐国栋教授等采用低温溶液合成法设计得到Ge、In双掺杂SnSe纳米片。通过设计纳米片结构，调控材料的声子输运过程，大幅降低了材料的热导率，研究发现纳米片形成的纳米晶界以及位错和层错导致了显著的晶格应变，形成了强的声子散射中心，从而使晶格热导率显著降低，在873 K时获得了0.19 Wm-1K-1的超低晶格热导率。Ge、In双掺杂较大提升了SnSe材料的电子态密度，有效提升了塞贝克系数，同时，Ge和In双掺杂显著提高了载流子浓度和电导率，使多晶SnSe在宽温度范围内获得了高功率因子。这种电声协同效应将SnSe多晶的最高热电优值提升至1.92，并显著提升了其宽温域热电性能，平均热电优值达到0.88，宽温域热电性能的提升有效提高了材料热电转换效率。该研究通过无毒元素掺杂将多晶SnSe宽温域性能提升到新的水平，对推动多晶SnSe热电材料在高效固态热电发电器件中的广泛应用具有重要意义。

相关研究成果以题为“Enhanced Density of States Facilitates High Thermoelectric Performance in Solution-Grown Ge and In codoped SnSe Nanoplates”发表在知名期刊ACS Nano上。

 

 

【核心创新点】

  1. 设计了简便、高效、低成本的溶液合成方法成功制备SnSe纳米片，利用纳米边界、晶格应变有效抑制晶格热导率。
  2. 利用Ge、In双掺杂提升SnSe材料的电子态密度，优化全温域塞贝克系数和功率因子。
  3. 通过无毒元素Ge、In掺杂在多晶SnSe材料中获得了高宽温域热电性能，其在423-873K温区平均热电优值达到88。

 

【数据概览】

图1  （a）SnSe的SEM图，（b-d）Sn1-2xGexInxSe纳米片的SEM图。

溶液合成法生成了Ge、In双掺杂SnSe纳米片，研究发现通过引入Ge和In明显降低了晶粒尺寸，生成了50-100nm的纳米片。

图2  Sn1-2xGexInxSe纳米片的（a）总热导率（kT），（b）kT与相关报道对比，（c）晶格热导率（kL），（d）kL与相关报道对比。

Sn1-2xGexInxSe纳米片的热导率随着Ge和In掺杂量的增加而降低，在873 K时获得了0.19 Wm-1K-1的超低晶格热导率。

图3  Sn0.96Ge0.02In0.02Se纳米片的微观结构表征（a）具有大量位错和堆叠层错的STEM图像，（b）图a中红色放大区域，（c）图b对应的应变映射，（d）图a中蓝色放大区域，（e）图d的快速傅里叶变换(IFFT)图像，（f）图d对应的应变映射。

微结构表征显示，样品基体中存在大量位错和堆叠层错，导致晶格应变，形成强声子散射中心，增强声子散射，降低晶格热导率。同时，纳米片形成的纳米晶界可进一步散射声子，使样品获得超低晶格热导率。

图4  Sn1-2xGexInxSe纳米片的（a）电导率，（b）载流子浓度和迁移率，（c）赛贝克系数，（d）赛贝克系数与相关报道的比较，（e）赛贝克系数与载流子浓度依赖性，（f）功率因子

Ge和In双掺杂优化了样品载流子浓度，提高了材料的电导率，同时其赛贝克系数处于较高水平。紫外光电子能谱测试表明，Ge、In双掺杂提升SnSe材料的电子态密度，使得材料宽温域塞贝克系数和功率因子得到大幅提升。

图5  Sn0.96Ge0.02In0.02Se纳米片的（a）热电优值（ZT），（b）ZT与有关报道的比较，（c）平均ZT，（d）理论能量转换效率

在Ge、In掺杂的SnSe纳米片中，获得1.9的峰值ZT的同时，将平均ZT从0.35提升至0.88，增大了151%。

 

【成果启示】

综上所述，该工作在溶液生长的SnSe纳米片中实现了0.88的高平均ZT，峰值ZT达到1.92。通过设计纳米片结构，利用纳米晶界和晶格应变有效散射声子，显著降低了晶格热导率。同时，利用Ge和In掺杂提升了SnSe电子结构的电子态密度，使材料保持了大的塞贝克系数。Ge和In掺杂不仅优化了Seebeck系数，而且显著提高了载流子浓度和电导率，有助于在宽温度范围内保持高功率因数。最终，这些协同效应使In、Ge掺杂SnSe纳米片获得了高宽温域热电性能，有助于拓展材料的应用。

 

论文信息

Enhanced Density of States Facilitates High Thermoelectric Performance in Solution-Grown Ge and In codoped SnSe Nanoplates

Yaru Gong, Shihua Zhang, Yunxiang Hou, Shuang Li, Chong Wang, Wenjie Xiong, Qingtang Zhang, Xuefei Miao, Jizi Liu, Yang Cao, Di Li, Guang Chen,* Guodong Tang

文章链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.2c11095

DOI：10.1021/acsnano.2c11095

 

本文由作者供稿

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