固体所在碲化铋合金热电性能调控方面取得新进展

近期，中科院合肥研究院固体所秦晓英研究员课题组在N型Bi2Te2.7Se0.3(BTS)材料体系热电性能方面取得新进展。研究人员通过向BTS基体中引入少量Ag9AlSe6纳米颗粒实现材料热导率的显著下降，使含0.35vol.% Ag9AlSe6的复合样品的最大ZT（热电优值）达到1.2 ( 423K)，在300-473K温区内的平均ZT达到了1.1。相关工作以 “Enhancing thermoelectric performance of n-type Bi2Te2.7Se0.3  through incorporation of Ag9AlSe6 inclusions ” 为题发表在材料化学类期刊 Inorganic Chemistry Frontiers   (Inorg. Chem. Front., 2022, DOI: 10.1039/d2qi01232d )上。

近年来，热电技术作为解决能源问题的有效途径备受关注。热电材料的能量转换效率由无量纲的热电优值ZT=S2T/rk=PF·T/k决定，其中S、r、T、k和PF (=S2/r)分别代表塞贝克系数、电阻率、绝对温度、导热系数和功率因子。因此，高的功率因子PF和低的热导率k是材料高ZT值的必要条件。然而，这些热电参数(S， σ， κ)是相互交织的，这对提高ZT值仍然是一个挑战。

热电器件是由P型和N型热电材料组成。目前对P型室温热电材料ZT的改进已经取得了很大的进展。但在室温附近开发高性能(大ZT)的N型热电材料面临更大的挑战，这阻碍了热电器件的转换效率，使其无法得到广泛应用。因此，开发高效的N型室温热电材料，研制高转换效率的热电器件具有重要意义。Bi2Te3是目前公认的在室温下既能发电又能冷却的著名合金之一。但N型Bi2Te3相对应的热电优值ZT和能量转换效率较低，限制了其商业应用。因此，提高N型Bi2Te3的热电性能是促进其工业应用的必要条件。

寻找最优的第二相是设计和制造一个性能优异(包括功能和结构)的复合体系材料的首要和关键任务，很多研究都对BTS的不同分散相进行了探索，以获得更好的热电性能。固体所科研人员尝试通过向BTS中引入N型纳米颗粒Ag9AlSe6，研究了BTS-xvol% Ag9AlSe6 (x= 0、0.15、0.25、0.35、0.50和0.70)样品的热电性能。结果表明，在BTS中加入Ag9AlSe6纳米粒子加入，其声子散射和相界增强，使得塞贝克系数增强和热导率降低，复合样品BTS-0.35vol% Ag9AlSe6的热电性能比原始BTS提高了约40%， ZTmax值 达到1.2 (423K)。BTS-0.50vol% Ag9AlSe6的平均ZTave为1.1 (300K-473K)。该工作表明Ag9AlSe6纳米颗粒的加入是提高BTS热电性能的有效途径，对于N型碲化铋合金热电性能的调控研究具有重要意义。

上述工作得到国家自然科学基金和安徽省自然科学基金以及合肥研究院院长基金的支持。

文章链接：https://doi.org/10.1039/D2QI01232D

图1. (a-b) BTS-0.35vol% Ag9AlSe6的TEM图像；(c) BTS-0.35vol% Ag9AlSe6的高倍TEM图像；(d)选定区域电子衍射(SAED)(假彩色)；(e-l) BTS-0.35vol% Ag9AlSe6的TEM图像和Bi、Te、Se、Ag、Al的EDS谱图。

图2. BTS-xvol%Ag9AlSe6 (x=0,0.15,0.25,0.35,0.50和0.70)样品的(a)热电优值 (ZT)随温度的依赖性；(b) 平均热电优值 (ZTave)随Ag9AlSe6含量的依赖性。