具有自调节载流子浓度特性的n型Bi2(TeSe)3-SiC纳米复合热电材料

当下社会,约60%的能源在使用过程中正以废热的形式流失,而其中低温区100-300 ºC的废热占到了50%的比例,并难以在工业中回收利用。热电材料可有效实现热能和电能之间的转换,为解决废热回收、提高能源利用效率问题带来了希望。已投入生产的高性能热电材料主要有低温区Bi2Te3,中温区PbTe和高温区SiGe。提高热电材料的低中温区(100-300 ºC)热电性能对低中温区废热回收具有重要意义,为此,如何把高性能Bi2Te3基热电材料的低温区高性能推往中高温区成为研究热点之一。

Untitled传统区熔铸锭的Bi2Te3基材料在室温附近表现出优异的热电性能,热电优值(ZT值)可达到1左右。然而,随着温度升高,其窄禁带引起的本证激发使得热电性能在峰值后迅速下降。因此,Bi2Te3基热电材料目前主要应用仍限制于制冷,而在废热发电领域的应用有待研究。增大载流子浓度和禁带宽度可以抑制本证激发,从而提高最佳热电性能对应的温度;而级联设计则可以实现更宽范围温区的高热电性能。清华大学李敬锋课题组与合作者针对这一问题对n型Bi2(TeSe)3热电材料进行了设计。通过Cu/I掺杂,增大了n型Bi2(TeSe)3热电材料的载流子浓度,从而有效抑制了本征激发;并且,由于越高温度下的ZT峰值要求更高的载流子浓度,而Cu/I掺杂剂恰好表现出随温度升高而增大的固溶度,从而载流子浓度表现出随温度自调节的现象,使得ZT值随着温度升高不致于急剧下降,展示出一个在中高温区稳定的ZT值平台。同时,基体中固溶度以外的CuI第二相作为声子散射中心,有效降低了热导率。另一方面,弥散的SiC颗粒增强了材料的机械性能,有利于材料的加工和器件应用。最终,Cu/I掺杂的n型Bi2(TeSe)3-SiC复合物在低中温区(200-300 ºC)展现出一个稳定的热电性能平台。通过结合该研发材料和传统区熔铸锭(最佳热电性能在室温附近)的级联设计,在整个中低温区(RT-300 ºC)的器件热电优值(device ZT)及转换效率可分别达到0.9-1.0和9.2%。相关结果发表在Advance Science上。

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