新加坡南洋理工大學&美國西北大學：PbS的能帶工程-帶間態和費米能級的釘扎效應增強熱電性能

【前言】

化石燃料的能量大約有60%以廢熱形式被浪費了，并造成了大量溫室氣體排放，嚴重的空氣污染和能源危機等。如何利用這些熱能來提高能源利用效率，解決能源危機和全球環境問題，是擺在人類面前的一個重要挑戰。熱電材料是一種能夠將熱能直接轉化為電能的材料，在轉換過程中無噪音和有害物質的排放。熱電材料已成為可持續廢熱回收處理領域的研究熱點，受到了廣泛關注。

【成果簡介】

鉛基硫屬化合物在中溫熱電領域具有廣泛的應用。但是由于Te和Se元素地殼含量低，價格高漲，限制了其廣泛的產業應用。由于S元素含量豐富，價格低廉，且PbS熱穩定性高，PbS逐漸引起了研究人員的廣泛興趣。然而，由于PbS熱電材料較低的功率因子，較高的晶格熱導率和較低的熱電優值，嚴重限制了其在熱電器件方面的應用。為此，新加坡南洋理工大學顏清宇教授課題組、美國西北大學Kanatzidis教授課題組與合作者，近期在n型PbS材料中實現了熱電性能的突破。所研制的n型材料在400-923K溫度區間平均熱電優值達到0.74，是n型PbS熱電材料中文獻報道的最高值。

在該研究成果中，作者制備了一種高性能的n型PbS熱電材料：(1)通過Ga和In的共同摻雜，可以有效調節載流子濃度。并且，相比于常見的Cl，Sb以及Bi摻雜，Ga和In共同摻雜可以極大的降低固溶體的晶格熱導；(2)能帶結構計算表明Ga摻雜在禁帶中引入了一條帶間態，該帶間態引起Fermi level pinning現象。隨后的Hall測試結果確認了該現象。進一步的計算結果顯示，該帶間態和Fermi level pinning可以提高Seebeck系數，這與實驗測試結果相吻合；(3)在Ga摻雜的基礎上，引入少量的In，可以極大的提高載流子濃度和電導率，并且進一步降低了晶格熱導率。理論計算表明In的共同摻雜引入了一條額外的導帶，使得電導率有了極大的提高。綜合結果導致Ga和In共同摻雜的PbS具有優異的熱電性能。作者從能帶結構調控方面提出了一種新穎的熱電優化策略，有望擴展到其他熱電材料體系，提高熱電優值。

【圖文導讀】

圖1. 能帶結構調控策略（左）和平均熱電優值（右）。

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圖2.（a）Ga和In摻雜的PbS功率因子和其他n型PbS熱電材料的比較；（b）Ga,?In, Cl和Sb摻雜的n型PbS固溶體材料晶格熱導率的比較。

相關研究成果發表在Journal of the American Chemical Society DOI: 10.1021/jacs.9b01889上。

文獻鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b01889。

本文由課題組供稿，材料人編輯部編輯

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