【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】熱電技術(shù)可實(shí)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(yùn)動(dòng)部件等優(yōu)點(diǎn)，在諸如深空探測(cè)等領(lǐng)域已實(shí)現(xiàn)重要應(yīng)用。當(dāng)前熱電技術(shù)規(guī)模化應(yīng)用瓶頸在于轉(zhuǎn)換效率偏低，中國(guó)科學(xué)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(tuán)隊(duì)聚焦熱電性能優(yōu)化、器件設(shè)計(jì)制備以及系統(tǒng)集成應(yīng)用研究，并取得了一系列進(jìn)展。
針對(duì)當(dāng)前唯一實(shí)現(xiàn)商用化的Bi2Te3熱電材料，該團(tuán)隊(duì)利用大數(shù)據(jù)優(yōu)選具備納米活性的籠狀物材料進(jìn)行第二相摻雜，實(shí)現(xiàn)了電聲差異散射，進(jìn)一步設(shè)計(jì)缺陷工程摻雜提升功率因子，解決了該類體系中電-熱強(qiáng)烈耦合的共性問題，制備了工業(yè)級(jí)(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(jìn)材料》(Advanced Materials 2023, e2300338)上。
針對(duì)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(jì)了適當(dāng)?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(dǎo)率，實(shí)現(xiàn)了電-熱輸運(yùn)的部分解耦。得益于電聲輸運(yùn)性能協(xié)同優(yōu)化，SnTe峰值ZT達(dá)到1.5@800K，平均ZT達(dá)到0.8(300-800K)，為該體系當(dāng)前報(bào)道最高值；GeTe峰值ZT達(dá)2.12@650K，均值ZT高達(dá)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(jìn)功能材料》(Advanced Functional Materials 2022, 32, 2205458/2023, 33, 2212421)上。
針對(duì)中高溫區(qū)類金剛石銀基/銅基材料，該團(tuán)隊(duì)對(duì)于令人困惑的熱導(dǎo)率異常問題進(jìn)行了理論澄清。研究通過探討原子軌道、晶體場(chǎng)、局域四面體畸變等因素對(duì)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(yáng)離子成鍵強(qiáng)度的錯(cuò)配，由此引起強(qiáng)烈的非簡(jiǎn)諧性晶格振動(dòng)，導(dǎo)致銀基材料晶格熱導(dǎo)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(píng)論B》(Physical Review B 2023, 107, 115202)上。
研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)、浙江省高水平人才專項(xiàng)支持計(jì)劃、浙江省自然科學(xué)基金和浙江省重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃的支持。
圖1.(a)ZT值對(duì)比及工業(yè)級(jí)樣品實(shí)物圖；(b)器件示意圖及最大轉(zhuǎn)換效率對(duì)比
圖2.(a)同時(shí)實(shí)現(xiàn)高載流子遷移率和低晶格熱導(dǎo)率；(b)共振能級(jí)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(dǎo)率計(jì)算與實(shí)驗(yàn)對(duì)比
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