热电制冷器（TEC）凭借低噪声、快速响应、精确控温和长寿命等优势，在5G/6G通信和集成电路等高精度温控领域具有重要应用。TEC的性能主要取决于热电材料的热电优值ZT = S²σT/κ。然而，当前商业TEC几乎完全依赖于碲化铋（Bi2Te3）体系，其关键的Te元素因稀缺性和高昂成本严重限制了TEC的大规模推广。因此，开发无Te、低成本、高性能的替代热电制冷材料成为迫切需求。近年来，硒化铅（PbSe）因其资源丰富、成本低廉、立方晶体结构对称、力学性能优良而受到关注。初步研究表明，n型和p型PbSe在室温下分别可实现ZT≈0.9和0.7，与商用Bi2Te3体系搭配的TEC已展现出一定的制冷能力。此外，全PbSe体系还具备最大化制冷性能的潜力—热膨胀系数匹配、塞贝克系数易对称调节等器件级优势。然而，在全PbSe体系中同时获得高性能的n型和p型材料，并保持载流子迁移率和各项性能的高度匹配，一直是尚未解决的关键难题。
二、【创新成果】
基于此，北京航空航天大学秦永新副教授、赵立东教授等人在Science上发表了题为“Ultralow chromium doping enables all-PbSe thermoelectric cooling”的论文，报道通过超低浓度铬（Cr）掺杂的“网格设计”策略，成功在全PbSe材料体系中同时获得了高性能的p型（PbSe+0.001Cr）和n型（PbSe+0.005Cr）晶体。Cr原子的引入精准调控了本征缺陷和费米能级，实现了载流子类型从p到n的连续转变，并使n型和p型PbSe的塞贝克系数高度对称（~ ±197~199 μV/K），热膨胀系数高度匹配（2.03×10-5 vs 2.07×10-5）。基于此制备的全PbSe TEC完全摆脱了对稀缺元素Te的依赖，在363 K热端温度下实现了约53 K的最大温差、约6 W/cm2制冷密度和约21的峰值性能系数，同时具备工业级低接触电阻和优异的力学稳定性。上述研究结果证实，PbSe可作为高效、绿色可持续的备选材料，适用于规模化制冷场景。
三、【图文解析】
图1 PbSe + xCr晶体的电传输特性 ©2026 AAAS
图2 PbSe + xCr晶体的AC-STEM表征 ©2026 AAAS
图3 PbSe + xCr晶体的ZT、系统匹配、接触电阻和发电性能 ©2026 AAAS
图4 全PbSe TEC制冷效果 ©2026 AAAS
四、【科学启迪】
综上，研究人员通过超低浓度Cr掺杂的“网格设计”策略，成功在全PbSe材料体系中同时获得了高性能的p型（PbSe+0.001Cr）和n型（PbSe+0.005Cr）晶体。Cr原子的引入精准调控了本征缺陷和费米能级，实现了载流子类型从p到n的连续转变，并使n/p型PbSe在塞贝克系数（约±197~199 μV/K）和热膨胀系数（约2.03~2.07×10⁻⁵）上高度匹配—这一输运参数对称性被证明与ZT提升同等重要。基于此制备的七对全PbSe TEC，在363 K热端温度下实现了约53 K的最大温差、约6 W/cm²的高制冷密度和约21的峰值性能系数，同时具备工业级低接触电阻（3~26 μΩ·cm2）和优异的力学性能。此外，该器件在ΔT=370 K下还展现出约7.1~8.1%的发电效率，具备制冷与发电双功能性。本研究不仅确立了PbSe作为低成本、可持续热电制冷材料的可行性，“网格设计”策略也为其他热电材料的双极性优化提供了通用路径，对推动固态制冷与发电器件的发展具有重要意义。
原文详情：Ultralow chromium doping enables all-PbSe thermoelectric cooling (Science 2026, 392, 1056-1060)
本文由大兵哥供稿。
