【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】熱電技術(shù)可實現(xiàn)熱能與電能直接相互轉(zhuǎn)換，具有純固態(tài)、無噪音、無運動部件等優(yōu)點，在諸如深空探測等領(lǐng)域已實現(xiàn)重要應(yīng)用。當前熱電技術(shù)規(guī)?；瘧?yīng)用瓶頸在于轉(zhuǎn)換效率偏低，中國科學院寧波材料技術(shù)與工程研究所光電熱功能材料與器件團隊聚焦熱電性能優(yōu)化、器件設(shè)計制備以及系統(tǒng)集成應(yīng)用研究，并取得了一系列進展。
 

　　針對當前唯一實現(xiàn)商用化的Bi2Te3熱電材料，該團隊利用大數(shù)據(jù)優(yōu)選具備納米活性的籠狀物材料進行第二相摻雜，實現(xiàn)了電聲差異散射，進一步設(shè)計缺陷工程摻雜提升功率因子，解決了該類體系中電-熱強烈耦合的共性問題，制備了工業(yè)級(40mm)高性能樣品(熱電器件效率較商業(yè)產(chǎn)品提升約75%)。相關(guān)成果以High-Performance Industrial-Grade p-Type (Bi,Sb)2Te3 Thermoelectric Enabled by a Stepwise Optimization Strategy為題，發(fā)表在《先進材料》(Advanced Materials 2023, e2300338)上。
 

　　針對中溫區(qū)典型材料SnTe和GeTe，該研究提出了中熵工程的優(yōu)化方案，設(shè)計了適當?shù)墓倘茉睾凸倘軡舛染_調(diào)控體系的結(jié)構(gòu)熵，提升了材料功率因子并降低晶格熱導率，實現(xiàn)了電-熱輸運的部分解耦。得益于電聲輸運性能協(xié)同優(yōu)化，SnTe峰值ZT達到1.5@800K，平均ZT達到0.8(300-800K)，為該體系當前報道最高值；GeTe峰值ZT達2.12@650K，均值ZT高達1.43(300-773K)。相關(guān)成果分別以High-Performance Thermoelectric Material and Module Driven by Medium-Entropy Engineering in SnTe和Enhanced Thermoelectric Performance in GeTe by Synergy of Midgap state and Band Convergence為題，發(fā)表在《先進功能材料》(Advanced Functional Materials 2022, 32, 2205458/2023, 33, 2212421)上。
 

　　針對中高溫區(qū)類金剛石銀基/銅基材料，該團隊對于令人困惑的熱導率異常問題進行了理論澄清。研究通過探討原子軌道、晶體場、局域四面體畸變等因素對電子結(jié)構(gòu)的影響發(fā)現(xiàn)，在銀基材料(AgBX2)中存在陰離子與兩種陽離子成鍵強度的錯配，由此引起強烈的非簡諧性晶格振動，導致銀基材料晶格熱導率較銅基材料(CuBX2)低50%-80%。相關(guān)成果以Mismatched atomic bonds and ultralow thermal conductivity in Ag-based ternary chalcopyrites為題，發(fā)表在《物理評論B》(Physical Review B 2023, 107, 115202)上。
 

　　研究工作得到國家自然科學基金、中國科學院青年創(chuàng)新促進會、浙江省高水平人才專項支持計劃、浙江省自然科學基金和浙江省重點研發(fā)計劃的支持。
 

圖1.(a)ZT值對比及工業(yè)級樣品實物圖；(b)器件示意圖及最大轉(zhuǎn)換效率對比
 

　　圖2.(a)同時實現(xiàn)高載流子遷移率和低晶格熱導率；(b)共振能級和能帶收斂示意圖
 

　　圖3.(a)CuInTe2/AgInTe2電子態(tài)密度以及各元素軌道分波電子態(tài)密度；(b)兩種材料的晶格熱導率計算與實驗對比