Advanced Energy Materials:兼具高能量转化效率和高功率密度的热电发电器件

热电转换技术利用热电半导体的载流子、声子的传输特性,能够实现热能和电能之间进行直接转换,在新能源技术中占有十分重要的地位。提高热电材料的热电优值和热电器件的输出性能是热电转换技术的首要任务。热电发电器件所工作的温差越大,热电材料优值越高,能量转化效率越高。Half-Heusler(HH)化合物是一类物理性能丰富的材料体系,由于其成分环保无毒、热稳定性好、机械强度高,近年来在热电领域受到越来越多的关注。但是到目前为止,HH器件的研究却十分迟缓,且以往P型材料所使用的多为MCoSb (M = Ti, Zr, Hf)基HH材料。RFeSb (R = V, Nb, Ta)基材料具有比MCoSb基材料更好的热电性能,在1200 K时,其热电优值>1.5,功率因子>40 Wm-1K-2,且组成元素价格更为低廉,因此是一种更有优势的高温P型热电材料。但是基于RFeSb材料的热电器件很少研究,目前最高转换效率仅有6.2%。

针对该现状,浙江大学材料科学与工程学院朱铁军教授研究团队与上海硅酸盐研究所柏胜强教授研究团队开展深入密切的合作,致力于高性能RFeSb基热电发电器件的研发。制作器件的前提是获得大量相纯度好且热电性能均匀的块体材料。研究人员选择以Hf0.8Zr0.2NiSn0.98Sb0.02和(Nb0.8Ta0.2)0.8Ti0.2FeSb分别作为N型和P型热电臂的成分,并精心设计了大尺寸材料制备的流程,成功制备出了致密度高(>97%)、相纯度好、性能均匀的大尺寸half-Heusler合金,且N、P型大块试样的热电优值均能达到1.0。考虑到热电器件的输出性能受N型臂和P型臂的尺寸因素影响,研究人员采用了三维全参数有限元模拟来对器件的结构参数进行优化设计。模拟结果表明,当N、P型热电臂的横截面积比满足An/Ap = 1时,能量转化效率和输出功率都能达到最大值。但是为了兼顾能量转化效率和输出功率,在热电臂高度和热电对总横截面积比上,采用了折中的比例H/Apn = 0.37 mm-1。基于此研究人员成功组装出一个具有8对热电臂的原型单级发电器件。器件输出性能测试表明,在温差为655 K时,能量转化效率为8.3%,功率密度为2.11 Wcm-2。该器件同时展现出了高转化效率和高功率密度,表现出优异的综合性能。

该热电器件的转换效率相比于过去的研究有较大突破,关键在于大块材料均匀性的改善和器件结构的优化设计。其研究成果也向人们展示了RFeSb基热电材料在热电发电领域的巨大潜力。相关论文近期已发表于Advanced Energy Materials(DOI:10.1002/adem.202000888)上。该研究得到了国家重点研发计划、国家杰出青年科学基金和国家自然科学基金的支持。