Energ. Environ. Sci. 上硅所：基于Bi2Te3的高效率熱電材料

【引言】

作為一種清潔的熱電轉換技術，熱電技術可以自由地把熱能轉換為電能。該項技術可以收集汽車、工業煉鋼排出的廢氣，然后轉換為可以使用的電能。但是，目前熱電轉換效率卻不高，大約60%的熱量沒有轉換為電能而浪費。目前人們對在高溫下轉換電能較有興趣，而忽視了在較低溫度下的富有挑戰性的熱電轉換研究。

【研究成果】

近日，中國科學院上海硅酸鹽研究所的陳立東研究員、史迅研究員、柏勝強高級工程師（共同通訊作者）等人率領的科研團隊通過添加少量的電子受體（Cd、Cu 、Ag）降低了晶格熱導率、抑制固有激發態，成功地提高了Bi2Te3基熱電材料熱電（TE）品質因數至1.0-1.4。熱電性能峰顯著擴寬，在180至300°C下，平均品質因數上升至1.0-1.2。基于這些材料的熱電產生模型顯示熱電轉換率提高了6%，與未優化的Bi2Te3基熱電材料相比提高了30%。該材料有望在工業生產中得到應用，以提高廢熱的熱電轉換效率。

【圖文導讀】

圖1：樣品（Bi0.5Sb1.5xMxTe3 (M = Cd, Cu, and Ag)）TE性能表征

（a）窄帶隙半導體中本征激發的示意圖；

（b）Bi0.5Sb1.5xMxTe3 (M = Cd, Cu, and Ag)的TE圖；c）和d）為制備的TE模塊的圖片；

（e）三個TE模塊的功率輸出；

（f）三個TE模塊的能量轉換效率。

圖2：樣品對溫度依賴的表征

（a）塞貝克系數對溫度的依賴關系；

（b）電導率對對溫度的依賴關系；

（c）熱導率和晶格熱導率對溫度的依賴關系；

（d）雙極型熱導率對溫度的依賴關系。

圖3：樣品的TEM圖

（a） Bi0.5Sb1.5Te3基體的低放大倍數TEM圖，插圖為電子衍射圖；

（b） Bi0.5Sb1.5Te3基體的高分辨率TEM圖，插圖為快速傅里葉轉換圖；

（c） Bi0.5Sb1.49Cd0.01Te3樣品的低放大倍數TEM圖，插圖為電子衍射圖；

（d） Bi0.5Sb1.49Cd0.01Te3 基體中納米晶的高分辨率TEM圖，插圖為快速傅里葉轉換圖；

（e） Bi0.5Sb1.49Cd0.01Te3樣品的高分辨率TEM圖，插圖在白線標記區域，為快速傅里葉轉換圖；

（f）為（e）圖中(015) 和 ( 10)面的逆快速傅里葉轉換圖。

圖4：溫度與各量的依賴性

（a）計算的電子濃度與溫度的關系；

（b）計算的孔洞的濃度與溫度的關系；

（c）摻雜了Cd的Bi0.5Sb1.5Te3樣品在300-600K的溫度范圍內電子導電率與溫度的關系；

（d）雙相熱導率與電子導電性的函數關系。

【小結】

熱電材料的熱電轉換率是衡量該材料的一個重要性能參數，該課題組通過在原有熱電材料的基礎上添加少量的金屬元素（Cd、Cu 、Ag）可以使其成為高效率的熱電材料。

文獻鏈接：High efficiency Bi2Te3-based materials and devices for thermoelectric power generation between 100 and 300 °C（Energ. Environ. Sci.., 2016, DOI: 10.1039/C6EE02017H）

本文由材料人編輯部電子電工學術組seeding供稿，材料牛編輯整理。

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