【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】熱電是一種可實(shí)現(xiàn)熱能與電能直接相互轉(zhuǎn)化的全固態(tài)清潔能源技術(shù)，在主動(dòng)制冷、精準(zhǔn)熱管理和廢熱回收等領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用。目前，作為唯一的商業(yè)化熱電材料體系，碲化鉍(Bi2Te3)材料及器件廣泛應(yīng)用于制冷和光電模塊精準(zhǔn)控溫，以及近室溫300 ℃下廢熱發(fā)電等領(lǐng)域。但碲化鉍本身存在一些顯著缺點(diǎn)，例如材料成本高，平均熱電優(yōu)值較低，商業(yè)化熱電器件轉(zhuǎn)換效率僅為6 %左右，都限制了這類材料的推廣和更廣泛應(yīng)用。國(guó)際熱電領(lǐng)域在近室溫新型熱電材料中發(fā)現(xiàn)了N型Mg3(Sb,Bi)2 和P型MgAgSb材料，其有著優(yōu)異的寬溫域熱電性能和良好的機(jī)械加工性能，成為最有希望替代商業(yè)碲化鉍的近室溫?zé)犭姴牧象w系，而針對(duì)這兩種材料的性能提升和器件研發(fā)則成為熱電領(lǐng)域的研究焦點(diǎn)之一。
 

　　最近，中國(guó)科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國(guó)家研究中心趙懷周研究員團(tuán)隊(duì)與合作者通過改進(jìn)合成裝備和工藝，克服了由于P性α-MgAgSb成相過程中極易形成銀空位缺陷導(dǎo)致電學(xué)性能不佳的長(zhǎng)期挑戰(zhàn)，首次制備出具有整數(shù)計(jì)量比的α-MgAgSb材料，并通過近相變點(diǎn)退火，實(shí)現(xiàn)具有馬賽克多晶特征的大晶粒生長(zhǎng)，獲得了載流子遷移率為93.3cm2 V-1s-1， 室溫至300℃間平均zT達(dá)到1.4的高性能材料樣品，為α-MgAgSb材料報(bào)道最高水平，同時(shí)也明顯超越了對(duì)應(yīng)的P型碲化鉍材料。進(jìn)一步通過與高性能N型Mg3(Sb,Bi)2材料搭配，構(gòu)筑出具有7對(duì)熱電臂的發(fā)電模塊，最大熱電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到12%，突破了我國(guó)“十三五”期間國(guó)家重點(diǎn)計(jì)劃所制定的10%的既定目標(biāo)，也是目前國(guó)際熱電領(lǐng)域近室溫?zé)犭娹D(zhuǎn)換效率最高記錄。
 

　　上述工作受到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目和中國(guó)科學(xué)院的資助。物理所HM-02組趙懷周研究員、朱航天副研究員為論文的通訊作者，2019級(jí)張曉凡博士為第一作者。本系列工作先后發(fā)表于(Mater Today Phys 44, 101451 (2024))和(Joule 8, 1–12 (2024))。
 

　　參考連接：
 

　　[1] Joule，2024，8, 1–12：High-performance MgAgSb/Mg3(Sb,Bi)2-based thermoelectrics with η = 12% at T ≤ 583K: Joule (cell.com)
 

　　[2] Mater Today Phys 2024, 44, 101451：https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2024.101451
 

　　圖 α-MgAgSb及全鎂基發(fā)電模塊的熱電性能。(a) α-MgAgSb熱電性能優(yōu)化策略示意圖。(b) MgAg0.97Sb0.99、MgAgSb和退火后MgAgSb的室溫功率因子PF和zT隨載流子濃度的變化。(c)本工作中α-MgAgSb的zT值與文獻(xiàn)結(jié)果對(duì)比(插圖為本研究中制備的α-MgAgSb與不同來源的商業(yè)p型Bi2Te3之間的z值比較)。(d) 全鎂基模塊的轉(zhuǎn)換效率與文獻(xiàn)報(bào)道的單級(jí)模塊比較。(c)中的紫色線和藍(lán)色線分別代表由中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所和北京師范大學(xué)提供的第三方測(cè)試結(jié)果。