Energ. Environ. Sci. 上硅所：基于Bi2Te3的高效率热电材料

【引言】

作为一种清洁的热电转换技术，热电技术可以自由地把热能转换为电能。该项技术可以收集汽车、工业炼钢排出的废气，然后转换为可以使用的电能。但是，目前热电转换效率却不高，大约60%的热量没有转换为电能而浪费。目前人们对在高温下转换电能较有兴趣，而忽视了在较低温度下的富有挑战性的热电转换研究。

【研究成果】

近日，中国科学院上海硅酸盐研究所的陈立东研究员、史迅研究员、柏胜强高级工程师（共同通讯作者）等人率领的科研团队通过添加少量的电子受体（Cd、Cu 、Ag）降低了晶格热导率、抑制固有激发态，成功地提高了Bi2Te3基热电材料热电（TE）品质因数至1.0-1.4。热电性能峰显著扩宽，在180至300°C下，平均品质因数上升至1.0-1.2。基于这些材料的热电产生模型显示热电转换率提高了6%，与未优化的Bi2Te3基热电材料相比提高了30%。该材料有望在工业生产中得到应用，以提高废热的热电转换效率。

【图文导读】

图1：样品（Bi0.5Sb1.5xMxTe3 (M = Cd, Cu, and Ag)）TE性能表征

（a）窄带隙半导体中本征激发的示意图；

（b）Bi0.5Sb1.5xMxTe3 (M = Cd, Cu, and Ag)的TE图；c）和d）为制备的TE模块的图片；

（e）三个TE模块的功率输出；

（f）三个TE模块的能量转换效率。

图2：样品对温度依赖的表征

（a）塞贝克系数对温度的依赖关系；

（b）电导率对对温度的依赖关系；

（c）热导率和晶格热导率对温度的依赖关系；

（d）双极型热导率对温度的依赖关系。

图3：样品的TEM图

（a） Bi0.5Sb1.5Te3基体的低放大倍数TEM图，插图为电子衍射图；

（b） Bi0.5Sb1.5Te3基体的高分辨率TEM图，插图为快速傅里叶转换图；

（c） Bi0.5Sb1.49Cd0.01Te3样品的低放大倍数TEM图，插图为电子衍射图；

（d） Bi0.5Sb1.49Cd0.01Te3 基体中纳米晶的高分辨率TEM图，插图为快速傅里叶转换图；

（e） Bi0.5Sb1.49Cd0.01Te3样品的高分辨率TEM图，插图在白线标记区域，为快速傅里叶转换图；

（f）为（e）图中(015) 和 ( 10)面的逆快速傅里叶转换图。

图4：温度与各量的依赖性

（a）计算的电子浓度与温度的关系；

（b）计算的孔洞的浓度与温度的关系；

（c）掺杂了Cd的Bi0.5Sb1.5Te3样品在300-600K的温度范围内电子导电率与温度的关系；

（d）双相热导率与电子导电性的函数关系。

【小结】

热电材料的热电转换率是衡量该材料的一个重要性能参数，该课题组通过在原有热电材料的基础上添加少量的金属元素（Cd、Cu 、Ag）可以使其成为高效率的热电材料。

文献链接：High efficiency Bi2Te3-based materials and devices for thermoelectric power generation between 100 and 300 °C（Energ. Environ. Sci.., 2016, DOI: 10.1039/C6EE02017H）

本文由材料人编辑部电子电工学术组seeding供稿，材料牛编辑整理。

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