基于晶界工程实现n型填充方钴矿的优越热电性能

21世纪能源需求逐步增长,化石燃料加速消耗,在此双重背景下,开发可再生能源转换技术受到广泛关注。热电材料可直接将热能转换成电能,在工业废热发电和汽车尾气回收发电领域有广阔应用前景。如何获得材料的高功率因子同时降低晶格热导率是实现高热电优值的主要挑战。

对于块体热电材料而言,晶界或相界在载流子和声子的输运过程起到关键作用。例如,利用纳米析出物可实现能量过滤效应,增大赛贝克系数,但由于高角相界或非共格相界的存在,明显恶化载流子迁移率,功率因子未见明显提高;高密度的晶界或相界阻碍声子的正常传输,降低晶格热导率。由于声子和载流子的平均自由程差异明显,故构建精细微观组织结构可实现同时增大功率因子和降低晶格热导率,从而明显提高热电优值。

AENM-suijiehe

方钴矿具有较优异的热电性能和良好的机械性能,是一种非常有潜力的中温热电材料。本征空洞处元素填充显著降低晶格热导率,同时优化载流子浓度,最终明显提高功率因子和热电优值。由于Yb元素的原子质量较大和半径较小,Yb元素可实现高填充量,晶格热导率的降低效果最显著,是单一元素填充方钴矿中最优越的方式。近期,哈尔滨工业大学隋解和教授及博士生孟宪福和刘紫航等,与休斯顿大学任志峰教授合作,在方钴矿体系中率先采用液相压实法构建了含有高密度位错阵列的小角晶界,实现了能量过滤效应,明显提高赛贝克系数,且几乎不影响电子的迁移率,合金的最高室温功率因子可达47 μW cm-2 K-1,为填充方钴矿材料中的最高报道值;同时高密度阵列大幅度降低晶格热导率,基于Callaway模型分析得出,晶格热导率的降低主要源于界面处应力场贡献;最高热电优值可达1.45,相应平均热电优值为1.08(300-820 K),可媲美当前性能最优的多填充方钴矿,表明其在中温废热回收发电领域具有重要应用价值,同时也证明液相压实烧结工艺是一种有效优化热电性能的方式,可应用于其它热电材料体系。

相关工作发表于Advanced Energy Materials(DOI: 10.1002/aenm.201602582)上。