【資料圖】

熱電技術(shù)可實現(xiàn)熱能與電能直接相互轉(zhuǎn)換，具有純固態(tài)、無噪音、無運動部件等優(yōu)點，在諸如深空探測等領(lǐng)域已實現(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，并取得了一系列進(jìn)展。

針對當(dāng)前唯一實現(xiàn)商用化的Bi2Te3熱電材料，該團(tuán)隊利用大數(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-熱強烈耦合的共性問題，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)成果以High-Performance Industrial-Grade p-Type?(Bi,Sb)2Te3?Thermoelectric Enabled by a Stepwise Optimization Strategy為題，發(fā)表在《先進(jìn)材料》（Advanced Materials?2023, e2300338）上。

針對中溫區(qū)典型材料SnTe和GeTe，該研究提出了中熵工程的優(yōu)化方案，設(shè)計了適當(dāng)?shù)墓倘茉睾凸倘軡舛染_調(diào)控體系的結(jié)構(gòu)熵，提升了材料功率因子并降低晶格熱導(dǎo)率，實現(xiàn)了電-熱輸運的部分解耦。得益于電聲輸運性能協(xié)同優(yōu)化，SnTe峰值ZT達(dá)到@800K，平均ZT達(dá)到（300-800K），為該體系當(dāng)前報道最高值；GeTe峰值ZT達(dá)@650K，均值ZT高達(dá)（300-773K）。相關(guān)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)表在《先進(jìn)功能材料》（Advanced Functional Materials?2022, 32, 2205458/2023, 33, 2212421）上。

針對中高溫區(qū)類金剛石銀基/銅基材料，該團(tuán)隊對于令人困惑的熱導(dǎo)率異常問題進(jìn)行了理論澄清。研究通過探討原子軌道、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度的錯配，由此引起強烈的非簡諧性晶格振動，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)成果以Mismatched atomic bonds and ultralow thermal conductivity in Ag-based ternary chalcopyrites為題，發(fā)表在《物理評論B》（Physical Review B?2023, 107, 115202）上。

研究工作得到國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會、浙江省高水平人才專項支持計劃、浙江省自然科學(xué)基金和浙江省重點研發(fā)計劃的支持。

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

圖2.（a）同時實現(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)率計算與實驗對比

來源：中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所