近期，中科院合肥研究院固体所能源材料与器件制造研究部秦晓英研究员课题组与南方科技大学合作在p-型Bi0.4Sb1.6Te (BST)材料体系热电性能调控方面取得新进展。研究人员基于散射工程策略向BST基体中引入 PbSe纳米颗粒来同时调控对少子、多子以及声子的散射，从而大幅提升高温区的热电势并降低晶格热导率，使含0.2vol. % PbSe的复合样品的最大ZT（热电优值）达到1.56 (420K)，在300-512K温区内的平均ZT达到了1.44，对应理论热电转化效率达到11%。相关成果以“Achieving High Thermoelectric Performance in P-Type BST/PbSe Nanocomposites through the Scattering Engineering Strategy”为题发表在ACS Applied Materials & Interfaces (ACS Appl. Mater. Interfaces. 2020，DOI: 10.1021/acsami.0c13542) 上。
热电技术作为有望解决能源问题的新途径近些年来引起广泛关注。热电材料的转化效率由无量纲量ZT表示，ZT = S2T/ρ(κL +κh), 其中S 是热电势，ρ为电阻率，T为绝对温度，κL 和κh分别是晶格和载流子对热导率的贡献。BST是一种理想的P型热电材料，但由于其带隙较窄(Eg=0.13-0.15eV)，温度T>350K时会因少子激发导致热电势下降且由于双极扩散效应使得热导率增加。因此，BST体系的热电转化效率在300-512K温区内很难达到10%。
为此，科研人员通过向BST中添加PbSe纳米颗粒，在导带与价带构建非对称界面势 (如图1)，使得导带的高势垒强烈散射电子(少子)并抑制其输运，高温区热电势S(T)显著增大 (如图2(b))；而价带的势阱可以散射掉能量较低的空穴(多子)，通过能量过滤效应进一步提高热电势 (如图2(c))。此外，由于引入的PbSe及其与BST的相界对声子强烈散射，进而导致热导率大幅降低，如图(3)所示。分析发现，含0.2vol % PbSe的BST 样品在300-512K间的平均ZT达到了1.44，对应理论转化效率η=11% (512K), 如图(4)所示。该项研究对其它窄带隙热电材料的热电输运调控具有一定指导意义。
上述工作得到国家自然科学基金的支持。
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.0c13542
图1. (a) PbSe与BST的能带以及界面处势阱势垒示意图；(b) BST复合PbSe的示意图； (c) PbSe/BST复合样品中势垒（红色圆柱）与势阱（蓝色圆柱）对电子和空穴散射示意图，其中红球为电子，蓝球为空穴。
图2. 电阻率 ρ (a), 热电势 S (b), 迁移率μT (d) 随温度变化关系；(c)热电势随载流子浓度变化趋势。
图3. 功率因子PF (a), 总热导率 κ (b), κL+κbipolar (c), (d) ZT随温度变化关系。
图4. (a) 0.2 vol. % PbSe/ BST复合样品和BST基体在300 -512 K的平均ZT, 以及其它典型热电材料的ZTave；(b) 0.2 vol.% PbSe/ BST复合样品和BST基体在300 -512 K的热电转化效率 η 以及其它典型热电材料的 η。
