熱電材料，最新Science!

1.【科學背景】

熱電材料，可以將熱能直接轉化為電能，由于其快速響應、無直接排放和可回收的特點，已成為一種很有前景的替代能源。熱-電能量轉換效率（η）主要由材料的熱電系數（zT）決定，可以通過 zT= (S²ρ^-1/k) T來表示，其中S、ρ、k和T分別為材料的塞貝克系數、電阻率、熱導率和絕對溫度。多年來，人們提出了多種方法對各種熱電材料進行研究，通過抑制k或提高功率因數（PF= S²ρ^-1）來獲得更高的熱電系數。近年來的研究發現，電子能帶收斂可以提高材料的功率因數，從而對熱電性能產生有益影響，但找到合適的能帶收斂組分仍然需要耗費大量時間。

2.【創新成果】

基于以上研究背景，美國休斯頓大學任志鋒教授（通訊作者）等人提出了一種新的預測方法，在p型 Zintl 高熵化合物中Yb_xCa_1-xMg_yZn_2-ySb₂設計一系列同時能帶收斂的組合物。設計的組合物具有較大的功率因數和較低的熱導率，其中一種組合物與其他p型Zintl相材料相比表現出較大的熱電值。同時，得到的材料具有很高的熱/時間穩定性。組裝的全Zintl熱電模塊，在475開爾文溫差下，熱電轉換效率超過10%。相關研究成果以“Global band convergence design for high-performance thermoelectric power generation in Zintls”為題發表在最新Science期刊上。

圖1. p型Zintl材料Yb_0.7Ca_0.3Mg_0.55Zn_1.45Sb₂的高熱電性能。? 2024 AAAS

圖2.能帶收斂高熵合金Yb_xCa_1?x?δ Na_δMg_yZn_2?ySb₂的預測熱電性能。? 2024 AAAS

圖3. 電子能帶收斂的性能指標。? 2024 AAAS

圖4. Yb_0.7Ca_0.3Mg_0.55Zn_1.45Sb₂的熱穩定性和時間穩定性。? 2024 AAAS

圖5. Yb_0.7Ca_0.3Mg_0.55Zn_1.45Sb₂/Mg_3.08Y_0.02Sb_1.5Bi_0.5熱電模塊的熱-電轉換性能。? 2024 AAAS

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3.【科學啟迪】

本研究中，以Yb_xCa_1-xMg_yZn_2-ySb₂高熵合金為例，提出了一種可用于同時設計一系列電子能帶收斂組合物的原始方法。得益于能帶收斂狀態，所設計的組合物比母化合物表現出更大的功率因數。同時，材料的出色穩定性，使其具有很大的商業應用潛力。組裝的熱電模塊，在475開爾文溫差下，熱電轉換效率超過10%，驗證了其器件水平上強大的熱電性能。更重要的是，無毒性、結構可靠和不含Te的特性，有望使這種材料及其組裝的熱電模塊應用于下一代廢熱回收和熱電發電中。

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原文詳情：Shi, et al. Global band convergence design for high-performance thermoelectric power generation in Zintls, Science (2024). https://www.science.org/doi/10.1126/science.adn7265。