南科大最新Science：高效熱電材料的開發！

一、【科學背景】

熱量是自然界和社會中未充分利用的能源，其積累和利用一直是人們關注的熱點領域。能夠實現直接和反向熱-電轉換的熱電材料因其在各種應用中的潛在用途而引起了人們的興趣。然而，由于電和熱傳輸特性的強烈糾纏，開發高效熱電器件具有挑戰性。熱電模塊的轉換效率與材料的無量綱品質因數zT = σS²T/κ有關，其中σ、S、κ和T分別是電導率、塞貝克系數、熱導率和絕對溫度。熱導率包括來自晶格振動的晶格熱導率κ_l和來自電荷載流子輸運的電子熱導率κ_e。顯然，優異的熱電品質因數需要高功率因數（σS²）和低導熱率。然而，這些參數彼此緊密耦合，使得每個單獨參數的獨立調整具有挑戰性。

二、【創新成果】

基于此，南方科技大學何佳清教授團隊在Science發表了題為“Pseudo-nanostructure and trapped-hole release induce high thermoelectric performance in PbTe”的論文，展示了在p型碲化鉛（PbTe）基材料中實現了空位簇的偽納米結構和捕獲空穴釋放的動態載流子調節的情況，從而能夠同時調節聲子和載流子傳輸。在850 K時實現了高達2.8的峰值zT值，在300至850 K時實現了1.65的平均zT值，這兩個值都是所有報道的p型PbTe系統中的最高值。最后，研究人員在自制分段模塊中在554 K的溫度梯度下獲得了高達約15.5%的能量轉換效率。這些值是報道的最高值之一，證明了熱電技術中溫應用的開發潛力。

圖1 ?具有偽納米結構和捕獲空穴釋放的高性能PbTe基材料和模塊? 2024 AAAS

圖2 ?Pb_0.97Na_0.03Te-2%MgTe-x%GeTe（x=0、0.25、0.5、0.75或1）的熱電性能 ? 2024 AAAS

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圖3 ?孔捕獲和釋放 ? 2024 AAAS

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圖4 ?偽納米結構的表征 ? 2024 AAAS

圖5 ?PbTe基分段模塊的熱電性能 ? 2024 AAAS

三、【科學啟迪】

綜上，研究人員通過依賴于偽納米結構和各種形式摻雜的陷孔釋放機制，提高了p型PbTe基熱電材料和模塊的熱電性能。由陽離子空位團簇組成的偽納米結構有效地阻止了聲子傳輸，但允許空穴通過，從而實現了全面的電子—聲子解耦。空穴在低溫下被捕獲，在高溫下被釋放，這使得空穴濃度可以在很寬的溫度范圍內得到優化。熱電材料和模塊方面的這一進展可加速中溫熱電發電技術的實際應用。

原文詳情：Pseudo-nanostructure and trapped-hole release induce high thermoelectric performance in PbTe (Science 2024, 384, 81-86)

本文由大兵哥供稿。