寧波材料所在中低溫區(qū)熱電材料與器件領(lǐng)域取得系列進(jìn)展
熱電技術(shù)可實(shí)現(xiàn)熱能與電能直接相互轉(zhuǎn)換,具有純固態(tài)、無噪音、無運(yùn)動部件等優(yōu)點(diǎn),在諸如深空探測等領(lǐng)域已經(jīng)實(shí)現(xiàn)重要應(yīng)用。當(dāng)前熱電技術(shù)規(guī)?;瘧?yīng)用瓶頸在于轉(zhuǎn)換效率偏低,中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所光電熱功能材料與器件團(tuán)隊(duì)一直聚焦熱電性能優(yōu)化、器件設(shè)計制備以及系統(tǒng)集成應(yīng)用研究,取得了系列進(jìn)展。
針對當(dāng)前唯一實(shí)現(xiàn)商用化的Bi2Te3熱電材料,團(tuán)隊(duì)研究人員利用大數(shù)據(jù)優(yōu)選具備納米活性的籠狀物材料進(jìn)行第二相摻雜,實(shí)現(xiàn)了電聲差異散射,進(jìn)一步設(shè)計缺陷工程摻雜提升功率因子,解決了該類體系中電-熱強(qiáng)烈耦合的共性問題,成功制備了工業(yè)級(
40mm)高性能樣品,熱電器件效率較商業(yè)產(chǎn)品提升約75%。相關(guān)研究成果以“High-Performance Industrial-Grade p-Type (Bi,Sb)2Te3 Thermoelectric Enabled by a Stepwise Optimization Strategy”為題發(fā)表于Advanced Materials期刊 (Adv. Mater. 2023, e2300338)。
針對中溫區(qū)典型材料SnTe和GeTe,團(tuán)隊(duì)研究人員提出了中熵工程的優(yōu)化方案,設(shè)計適當(dāng)?shù)墓倘茉睾凸倘軡舛染_調(diào)控體系的結(jié)構(gòu)熵,有效提升材料功率因子并降低晶格熱導(dǎo)率,實(shí)現(xiàn)了電-熱輸運(yùn)的部分解耦。得益于電聲輸運(yùn)性能協(xié)同優(yōu)化,SnTe峰值ZT達(dá)到1.5@800K,平均ZT達(dá)到0.8(300-800K),為該體系當(dāng)前報道最高值;GeTe峰值ZT達(dá)2.12@650K,均值ZT高達(dá)1.43(300-773K)。相關(guān)研究成果分別以“High-Performance Thermoelectric Material and Module Driven by Medium-Entropy Engineering in SnTe”和“Enhanced Thermoelectric Performance in GeTe by Synergy of Midgap state and Band Convergence”為題,發(fā)表于Advanced Functional Materials期刊 (Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2205458; Adv. Funct. Mater. 2023, 33, 2212421)。
針對中高溫區(qū)類金剛石銀基/銅基材料,團(tuán)隊(duì)研究人員對于令人困惑的熱導(dǎo)率異常問題進(jìn)行了理論澄清。通過研究原子軌道、晶體場、局域四面體畸變等因素對電子結(jié)構(gòu)的影響,發(fā)現(xiàn)在銀基材料(AgBX2)中存在陰離子與兩種陽離子成鍵強(qiáng)度的錯配,由此引起強(qiáng)烈的非簡諧性晶格振動,最終導(dǎo)致銀基材料晶格熱導(dǎo)率較銅基材料(CuBX2)低50%-80%。相關(guān)研究成果以“Mismatched atomic bonds and ultralow thermal conductivity in Ag-based ternary chalcopyrites”為題發(fā)表于Physical Review B期刊 (Phys. Rev. B 2023, 107, 115202)。
上述工作得到了國家自然科學(xué)基金(52002382、21875273和U21A2079)、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(2019298)、浙江省高水平人才專項(xiàng)支持計劃(2020R52032)、浙江省自然科學(xué)基金(LR21E020002)和浙江省重點(diǎn)研發(fā)計劃(2021C01026)的資助。

圖1(a)ZT值對比及工業(yè)級樣品實(shí)物圖;(b)器件示意圖及最大轉(zhuǎn)換效率對比

圖2(a)同時實(shí)現(xiàn)高載流子遷移率和低晶格熱導(dǎo)率;(b)共振能級和能帶收斂示意圖

圖3(a)CuInTe2/AgInTe2電子態(tài)密度以及各元素軌道分波電子態(tài)密度;(b)兩種材料的晶格熱導(dǎo)率計算與實(shí)驗(yàn)對比
(先進(jìn)制造所 張強(qiáng))