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趙立東Nature子刊:廉價地球寶藏——n型PbS0.6Se0.4熱電材料!

趙立東Nature子刊:廉價地球寶藏——n型PbS0.6Se0.4熱電材料!
第一作者:Lei Wang
通訊作者:趙立東、謝鴻耀
通訊單位:北京航空航天大學
論文速覽
熱電材料因其直接且可逆地將熱能轉換為電能的能力而備受關注,這在廢熱回收和提高能源利用效率方面具有巨大潛力。
作為最早發現的熱電半導體之一,Bi2Te3合金在商業熱電材料中占據主導地位已超過半個世紀。然而,近年來對這一材料系統的深入研究表明,Bi2Te3材料的熱電性能提升空間有限。此外,Bi2Te3的帶隙較小,大約為0.15 eV,導致在50°C左右發生本征激發,隨著溫度的升高熱電性能急劇下降,限制了其在熱電發電中的應用。
此外,鉍元素非常稀缺,地殼豐度僅為0.001 ppm,全球每年的鉍產量僅為約470噸。熱電技術的快速發展推動了對鉍原料的需求激增,這反過來又限制了熱電技術的進一步廣泛應用。因此,迫切需要開發地球豐富的高性能熱電材料來替代Bi2Te3。
本研究開發了一種低成本且地球豐富的PbS化合物,具有出色的熱電性能。優化的n型PbS材料在本系統中實現了創紀錄的室溫ZT值0.64。此外,首次制造了基于n型PbS的熱電制冷裝置,該裝置在室溫下展示了約36.9 K的顯著制冷溫差。同時,使用n型PbS材料的單腿裝置的發電效率達到約8%,顯示出在將廢熱轉化為有價值的電能方面的顯著潛力。本研究證明了可持續的n型PbS作為商業Bi2Te3的可行替代品的可行性,從而擴展了熱電技術的應用。
圖文導讀
趙立東Nature子刊:廉價地球寶藏——n型PbS0.6Se0.4熱電材料!
圖1:基于PbS的熱電材料的高性能和地球豐度,以及熱電制冷和發電潛力的比較。
趙立東Nature子刊:廉價地球寶藏——n型PbS0.6Se0.4熱電材料!
圖2:多晶Pb1+yS0.6Se0.4樣品的微觀結構和輸運性質。
趙立東Nature子刊:廉價地球寶藏——n型PbS0.6Se0.4熱電材料!
圖3:多晶Pb1.004S0.6Se0.4 + zCu樣品的微觀結構和輸運性質。
趙立東Nature子刊:廉價地球寶藏——n型PbS0.6Se0.4熱電材料!
圖4:SPSed樣品和晶體Pb1.004S0.6Se0.4 + 0.001Cu樣品的微觀結構和輸運性質。
趙立東Nature子刊:廉價地球寶藏——n型PbS0.6Se0.4熱電材料!
圖5:晶體Pb1.004S0.6Se0.4 + 0.001Cu樣品的器件性能。
總結展望
本研究通過晶格平整化和間隙摻雜策略,顯著提高了PbS的低溫熱電性能,實現了創紀錄的室溫ZT值約0.64,以及高達31.5 μW cm-1 K-2的功率因子?;诖?,首次制造了基于n型PbS的熱電制冷模塊,在303 K的熱端溫度下獲得了約36.9 K的最大溫差。
此外,使用PbS材料的單腿裝置在474 K的溫差下展示了約8%的發電效率,表明PbS在將廢熱轉化為有價值的電能方面具有顯著潛力。這項工作為優化PbS的低溫熱電性能提供了系統的方法,并證明了PbS是商業Bi2Te3的可行替代品,為熱電技術的可持續性做出了貢獻。
文獻信息
標題:Realizing thermoelectric cooling and power generation in N-type PbS0.6Se0.4 via lattice plainification and interstitial doping
期刊:Nature Communications
DOI:10.1038/s41467-024-48268-3

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