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南科大何佳清团队在Science发表SnSe热电材料和器件重要成果

2021-07-09

       2021年7月8日,南方科技大学物理系讲席教授何佳清团队在国际顶尖学术期刊Science以First Release和全文Research Article的形式发表了题为“Momentum and energy multi-band alignment enable power generation and thermoelectric cooling”的研究论文。

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       热电转换技术是一项基于半导体材料的新能源技术。基于Seebeck效应和Peltier效应,该项技术能够实现温差生电和通电制冷的效果,其分别在工业废热回收利用和电子制冷领域有着重要的应用。相比于传统能源转换技术,热电转换技术由于其器件具有尺寸高度可控、可靠性高、无运动部件、无污染和无噪音等优势,在航空航天和集成电路等关键领域具有不可替代的重要价值,例如用于航天深空探测中的放射性同位素温差发电电源(RTG)和用于集成电路领域的微型电子器件散热制冷和精确温控等。热电材料性能指标的关键在于能源转换效率,其由材料的无量纲热电性能优值(ZT值)决定。由ZT值的定义式(ZT = (S2σ/κ) T)可知,在给定温度T下,高性能热电材料应具有大的温差电动势S(产生大的电压)、高的电导率σ(减小焦耳热损耗)和低的热导率κ(产生大的温差)。然而,这些热电参数相互之间具有强烈的耦合关系,这使得热电材料的性能优化极具挑战性,调控这些强烈耦合的复杂热电参数是提高材料ZT值和热电转换效率的关键。随着热电材料领域的研究越来越受重视,不断涌现出了诸多提升ZT值的有效策略:优化载流子浓度范围以提高电导率(σ);调整电子能带结构、晶体结构、相结构等优化电传输性能(PF = S2σ);通过引入点缺陷、位错、晶界、纳米级沉淀物等进行多尺度分层架构设计以降低热导率(κ);引入磁性纳米粒子、功能基元序构设计以及高熵设计等解耦热传输和电传输;探索和开发具有本征低热导率特性的新材料体系;通过高通量及基于基因计算等预测潜在热电材料等。

       该研究通过在动量空间和能量空间同时作用的多价带协同传输策略,实现了P型SnSe晶体热电性能的显著提升;并搭建了基于SnSe晶体材料的热电器件,在器件中不但实现了温差发电,还实现了大温差的电子制冷。这一研究表明了SnSe基晶体材料作为温差发电和电子制冷材料的巨大潜力,且具备成本低、储量丰富和重量小等优势。该研究主要集中在如何协同优化有效质量m*和迁移率μ,进一步优化材料的电传输性能,低温区功率因子的优化将为电子制冷提供机遇。在具体研究中,通过变温同步辐射实验结合理论能带结构计算,发现了SnSe材料多个价带交互作用导致的动量空间和能量空间的价带对齐效应。如图1所示,动量空间的价带对齐对应于第一、第二价带的合并过程,这一过程显著提升了迁移率μ和电导率σ;能量空间的价带对齐对应于第三价带和前两个价带的简并过程,这一过程有效增强了有效质量m*和温差电动势S。通过固溶少量的铅(9% Pb),进一步促进了材料在动量空间和能量空间的价带对齐效应,最终实现了P型SnSe晶体ZT值和热电性能的显著提升。

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图1.多价带调控以实现高度优化ZT值的示意图

       基于所得高性能的P型SnSe晶体样品,研究团队进行了热电器件的搭建,并同时表征了所得器件的温差发电和通电制冷性能。如图2A所示,在210度左右的温差下,基于P型SnSe晶体的热电器件能够实现约4.4%的热电转换效率,这一数值与同一温差下商业化应用的碲化铋(Bi2Te3)基热电器件相当;如图2B所示,基于P型SnSe晶体的热电器件能够实现约45.7度的最大制冷温差,这一数值可以达到商用碲化铋器件的70%。但相比于Bi2Te3材料,SnSe的成本降低了约54%,重量减少了约21%,且具有较好的可加工性。

       该研究首次尝试了基于SnSe晶体热电材料的多对热电器件的装配与性能表征,结果表明其拥有良好的温差发电效率和通电制冷性能。这一研究颠覆了以往研究中只有窄带隙或半金属材料才能作为热电制冷材料的传统认知,表明了宽带隙SnSe晶体材料具有可同时作为温差发电和通电制冷材料的巨大潜力。同时,SnSe材料相比于传统碲化铋材料,具有成本低、储量丰富和重量小等优势,具有强大的商用器件替代性和实际应用价值,尤其是对于包含5G芯片在内的微型电子器件以及未来通讯器件等领域,其有望实现很好的电子制冷和温度控制效果,从而带来更高的社会价值和经济效益。

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图2.基于P型SnSe晶体的热电器件的热电发电效率和最大制冷温差

       该研究主要由南方科技大学物理系和北京航空航天大学材料学院共同完成,清华大学和武汉理工大学作为参与单位。何佳清和北京航空航天大学教授赵立东为该论文的共同通讯作者。

       该研究得到了国家自然科学基金重点项目、深圳市科技创新委员会孔雀团队和南科大高水平二期亮点项目的大力支持。

论文链接: http://dx.doi.org/10.1126/science.abi8668

 

来源:南科大新闻网

通讯员:孙艺琛

编辑:胡龙腾