南科大团队在热电材料领域取得重要新进展

2020-06-30 09:22作者:朱倩 来源:南方都市报编辑:黄晓航
近日,南方科技大学物理系讲席教授何佳清团队在热电材料能量转换研究中取得重要进展,相关成果以 “在n型Bi2Te3基热电材料中实现创纪录的高性能”为题在能源和环境领域顶级期刊《能源与环境科学》Energy & Environmental Science在线发表。

近日,南方科技大学物理系讲席教授何佳清团队在热电材料能量转换研究中取得重要进展,相关成果以 “在n型Bi2Te3基热电材料中实现创纪录的高性能”为题在能源和环境领域顶级期刊《能源与环境科学》Energy & Environmental Science在线发表。

目前的能源利用体系中超过60%的能量以废热的形式排放到环境中,其中50%以上的废热属于难以回收利用的低温(<600K)、低品质废热。热电材料由于其可将热能和电能直接转换的特性,能有效回收和利用体系中的低品质废热,从而受到人们广泛关注。在实际应用中,需要p型和n型两种热电半导体材料来组成热电器件,这两种热电半导体的匹配度越好,理论上由其制成的热电器件的热电转换效率越高。

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(a) 概观晶粒内部和晶界处的高密度位错;(b) BF-STEM图片展示晶粒内部位错;(c) 图b中蓝色方框区域的放大图,展示了位错阵列;(d) HRTEM图片展示了晶格扭曲;(e) 图d中白色方框区域的放大图,展示了典型的刃型位错;(f) 空位;(g) 图f中标记的Intensity 原子强度;(h) 典型的刃型位错展示了两排原子的插入。


(a) 载流子局域化示意图;(b) 高性能n型Bi2Te3基热电材料ZT值随温度的变化曲线;(c) 本文中制备的热电器件的输出功率和(d)能量转换效率。



Bi2Te3基热电材料作为目前唯一在室温附近被广泛商业应用为制冷的热电材料,是一种非常有潜力的可用于低品质废热回收且对环境友好的材料。作为发电热电材料,p型Bi2Te3基热电材料性能极高,但缺乏相对应的高性能n型材料,一定程度上限制了其热电器件在商业上的应用。何佳清团队在n型Bi2Te3材料中复合过量的Te单质,通过烧结使Te单质熔化流出,在基体中引入位错阵列(如图1a-c示)。

该位错阵列一方面增强了材料的择优取向,优化了迁移率;另一方面结构的变化导致材料形变激活能波动,从而在导带中形成能量势阱,局域化低能电子,有效提高Seebeck系数,进而大幅提升功率因子。在此基础上,通过Sb的复合掺杂,进一步优化载流子浓度,同时构建多尺度的纳米散射机制,使材料中同时存在位错阵列、晶格扭曲、刃型位错以及点缺陷(见图1d-f)等等,显著降低晶格热导率。最终,在n型Bi1.8Sb0.2Te2.7Se0.3 + 15 wt% Te材料中,获得极高的热电性能。如图2所示,在300K 至550K的区间里,该材料的热电优值平均值和最大值分别是~1.3和~1.4,明显优于其他n型Bi2Te3材料。进一步,课题组制备了由Bi1.8Sb0.2Te2.7Se0.3 + 15 wt% Te 的n型热电腿和Bi0.5Sb1.5Te3的p型热电腿组成的热电发电元器件。由此制备的70对热电发电元器件在235K温差下获得的最大输出功率为3.7W,可实现6.6%的能量转换效率,这一结果突破了目前Bi2Te3基热电器件转换效率的记录。

何佳清团队博士后朱彬、2018级南科大-哈工大联培硕士生刘嬉嬉和材料科学与工程系副教授谷猛团队博士后王琦为论文的共同第一作者,何佳清为论文唯一通讯作者,谷猛等为论文参与作者;南科大为论文第一单位。该研究得到了国家自然科学基金重点项目、教育部重点实验室、广东省领军人才计划和深圳市科技创新委员会基金等项目的资助。

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