热电材料 大幅提高热电转换效率！南科大团队在热电材料领域取得重要进展

见深圳客户。深圳新闻网，2020年6月28日。最近，南方科技大学物理系的何嘉庆教授在热电材料的能量转换研究方面取得了重要进展。相关成果在线发表在能源与环境领域的顶级期刊《能源与环境科学》上，标题为“在氮型Bi2Te3基热电材料中实现创纪录的高性能”。这是贺佳庆团队在今年1月发表“基于低成本PbS基热电材料实现高效余热发电”的研究工作后，再次在本刊发表的最新成果。

目前，能源利用系统中60%以上的能量以余热的形式排放到环境中，其中50%以上是难以回收的低温低质余热。热电材料由于其热能和电能的直接转换，能够有效回收和利用系统中的低质量余热，受到广泛关注。在实际应用中，需要P型和N型热电半导体材料来形成热电器件。这两种热电半导体之间的匹配程度越好，理论上由它们制成的热电器件的热电转换效率越高。

Bi2Te3基热电材料是唯一广泛用于室温附近制冷的热电材料，是一种非常有潜力的材料，可用于低质量的废热回收，并且对环境友好。p型Bi2Te3基热电材料性能极高，但缺乏相应的高性能N型材料，在一定程度上限制了热电器件的商业化应用。何嘉庆团队在N型Bi2Te3材料中复合过量的Te元素，熔化Te元素并通过烧结流出，并在基体中引入位错阵列。一方面，位错阵列增强了材料的择优取向，优化了迁移率；另一方面，结构的变化导致材料变形活化能的波动，从而在导带内形成一个能势阱，局域化低能电子，有效提高塞贝克系数，进而大幅度提高功率因数。

在此基础上，通过Sb的复合掺杂进一步优化载流子浓度，构建多尺度纳米散射机制，使得材料中同时存在位错阵列、晶格畸变、边缘位错和点缺陷，晶格热导率显著降低。此外，课题组还制备了由bi1.8sb0.2te2.7se0.3+15wt% te n型热电腿和Bi0.5Sb1.5Te3 p型热电腿组成的热电发电组件，可实现6.6%的能量转换效率，打破了目前基于Bi2Te3的热电器件转换效率的纪录。

据悉，该研究得到了国家自然科学基金、教育部重点实验室、广东省领军人才计划、深圳市科技创新委员会基金等重点项目的支持。