近期，固体所秦晓英研究员课题组在热电材料性能研究方面取得新进展，提出在n型碲化铋基合金中引入具有高载流子迁移率的纳米相，使基体材料保持高迁移率的同时降低热导率，最终提升其热电性能。相关结果在线发表在Journal of Materials Chemistry A (J. Mater. Chem. A 6(20), 9642-9649 (2018))杂志上。
以热电材料为核心部件的热电器件可以将热能和电能进行直接转换，无需运动部件，不产生噪音污染，也不排放任何有毒或温室气体。图1为以p型和n型热电材料为基础构筑的热电器件，它既可用于废热发电(图1(a)也可用于固态制冷(图1(b))。其中BiSbTe已被认为是接近室温的理想p型热电材料；然而，对应的n型碲化铋基合金的热电性能相对较差，因而限制了其商业应用。研究表明，在碲化铋基合金中引入具有高载流子迁移率的纳米相，可以有效调控基体材料的热、电输运性能。
基于此，课题组研究人员通过球磨和放电等离子烧结法制备了一系列n型纳米相InSb复合的BiTeSe基材料 (Bi2Te2.7Se0.3-f(InSb) (0≤f≤2.5vol.％))。其中复合样品Bi2Te2.7Se0.3-1.5 vol％InSb的热电优值ZT在323 K时达到1.22，为已报道的最高值。该体系中优异的热电性能主要归因于高载流子迁移率的纳米相InSb的引入，一方面使基体保持了高载流子迁移率；另一方面增强了界面散射，最终相果有效地散射了基体中的载热声子，最终使得复合材料具有极低晶格热导率的同时还保持高功率因子。Bi2Te2.7Se0.3-1.5 vol％InSb在300-425 K温度范围内的平均ZT为1.14，相比于前期文献报道值(0.96，如图3(c))增大了15％。
该工作得到国家自然科学基金，安徽省自然科学基金以及中科院固体所所长基金的支持。
文章链接：http://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2018/ta/c8ta00525g
图1 (a) 热电发电(Seebeck效应)示意图，(b) 热电制冷(Peltier效应)示意图。
图2 复合体系Bi2Te2.7Se0.3-f(InSb) (f = 0，1.0，1.5，2.0和2.5 vol%) 的 (a) 电阻率；(b) 热电势；(c) 载流子浓度；(d) 功率因子；(e) 热导率以及 (f) 晶格热导率随温度的变化关系。
图3复合体系Bi2Te2.7Se0.3-f(InSb) (f = 0，1.0，1.5，2.0和2.5 vol%) 的 (a) ZT值与温度对应关系曲线；该体系中 (b) 最高ZT值及 (c) 平均ZT值与文献报道值的对比关系图。
