北京航空航天大學最新Science：PbSe熱電材料比Bi2Te3具有更好的冷卻效果？

北京航空航天大學最新Science：PbSe熱電材料比Bi2Te3具有更好的冷卻效果

?

【導讀】

熱電技術可以實現熱能到電能的直接轉換；因此，可應用于深空探測(發電)、精密溫度控制、電子器件熱管理(熱電制冷)等領域。然而，熱電技術的廣泛應用仍然受到熱電材料性能的限制。熱電制冷技術對于智能電子中的精確控溫等過程有著重要的應用。目前使用的碲化鉍(Bi₂Te₃)基制冷器受限于Te的稀缺性和不理想的制冷能力。

【成果掠影】

今日，北京航空航天大學趙立東教授、張霄副教授課題組合作，展示了如何通過網格設計策略去除晶格空位，從而將用作中溫發電器件的PbSe轉換為優異的熱電制冷器。在室溫下，基于n型PbSe和p型SnSe的七對器件產生了~73 kelvin的最大制冷溫差，單橋臂發電效率接近11.2%。本工作將結果歸因于每平方千伏每厘米的功率因子>52微瓦，這是通過提高載流子遷移率實現的。本工作的演示為基于地球豐富的無Te硒化物的熱電制冷的商業應用提供了一條途徑。相關論文以題為“Grid-plainification enables medium-temperature PbSe thermoelectrics to cool better than Bi₂Te₃”的論文發表在Science上。

?

【數據概況】

圖1. 操縱構圖的格網化策略? 2024?AAAS

圖2. 添加0.08 mol% Cu的n型Pb_1+xSe晶體的載流子傳輸性能? 2024?AAAS

?

圖3. 添加0.08 mol% Cu的PbSe和Pb_1.004Se晶體的微觀結構表征? 2024?AAAS

?

圖4. 添加0.08 mol% Cu的n型Pb_1+xSe晶體的聲子輸運、ZT和發電性能? 2024?AAAS

【成果啟示】

總之，本工作基于網格平坦化策略，通過調控組分，開發了高效的n型PbSe晶體熱電制冷材料。在添加0.08 mol% Cu的Pb_1+xSe晶體中，自補償Pb通過占據本征Pb空位顯著降低了缺陷濃度，從而有利于載流子傳輸，在較寬的溫度范圍內，特別是在環境溫度附近，獲得了超高的載流子遷移率和功率因子值。寬范圍的熱電性能對整體發電性能有很大貢獻，在ΔT為420 K時實現了~11.2%的峰值轉換效率。此外，Pb_1+xSe晶體的室溫性能使其成為無Te熱電制冷的有前途的候選者。通過將n型Pb_1+xSe與先前開發的p型SnSe晶體耦合，本工作構建了七對硒化物基熱電制冷器件。該裝置具有較高的制冷能力，室溫下ΔT_max為~73 K，理論最大COP為~10。本工作證明了網格平坦化策略在開發更好的熱電制冷器方面的有效性，本工作開發的硒化物基高性能材料和器件在熱電制冷方面具有潛在的應用價值。

文獻鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk9589

本文由溫華供稿。