宁波材料所在中低温区热电材料与器件领域取得系列进展

　　热电技术可实现热能与电能直接相互转换，具有纯固态、无噪音、无运动部件等优点，在诸如深空探测等领域已经实现重要应用。当前热电技术规模化应用瓶颈在于转换效率偏低，中国科学院宁波材料技术与工程研究所光电热功能材料与器件团队一直聚焦热电性能优化、器件设计制备以及系统集成应用研究，取得了系列进展。

　　针对当前唯一实现商用化的Bi2Te3热电材料，团队研究人员利用大数据优选具备纳米活性的笼状物材料进行第二相掺杂，实现了电声差异散射，进一步设计缺陷工程掺杂提升功率因子，解决了该类体系中电-热强烈耦合的共性问题，成功制备了工业级（40mm）高性能样品，热电器件效率较商业产品提升约75%。相关研究成果以“High-Performance Industrial-Grade p-Type (Bi,Sb)2Te3 Thermoelectric Enabled by a Stepwise Optimization Strategy”为题发表于Advanced Materials期刊 (Adv. Mater. 2023, e2300338)。

　　针对中温区典型材料SnTe和GeTe，团队研究人员提出了中熵工程的优化方案，设计适当的固溶元素和固溶浓度精确调控体系的结构熵，有效提升材料功率因子并降低晶格热导率，实现了电-热输运的部分解耦。得益于电声输运性能协同优化，SnTe峰值ZT达到1.5@800K，平均ZT达到0.8（300-800K），为该体系当前报道最高值；GeTe峰值ZT达2.12@650K，均值ZT高达1.43（300-773K）。相关研究成果分别以“High-Performance Thermoelectric Material and Module Driven by Medium-Entropy Engineering in SnTe”和“Enhanced Thermoelectric Performance in GeTe by Synergy of Midgap state and Band Convergence”为题，发表于Advanced Functional Materials期刊 (Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2205458; Adv. Funct. Mater. 2023, 33, 2212421)。

　　针对中高温区类金刚石银基/铜基材料，团队研究人员对于令人困惑的热导率异常问题进行了理论澄清。通过研究原子轨道、晶体场、局域四面体畸变等因素对电子结构的影响，发现在银基材料（AgBX2）中存在阴离子与两种阳离子成键强度的错配，由此引起强烈的非简谐性晶格振动，最终导致银基材料晶格热导率较铜基材料（CuBX2）低50%-80%。相关研究成果以“Mismatched atomic bonds and ultralow thermal conductivity in Ag-based ternary chalcopyrites”为题发表于Physical Review B期刊 (Phys. Rev. B 2023, 107, 115202)。

　　上述工作得到了国家自然科学基金（52002382、21875273和U21A2079）、中国科学院青年创新促进会（2019298）、浙江省高水平人才专项支持计划（2020R52032）、浙江省自然科学基金（LR21E020002）和浙江省重点研发计划（2021C01026）的资助。


图1（a）ZT值对比及工业级样品实物图；（b）器件示意图及最大转换效率对比


图2（a）同时实现高载流子迁移率和低晶格热导率；（b）共振能级和能带收敛示意图


图3（a）CuInTe2/AgInTe2电子态密度以及各元素轨道分波电子态密度；（b）两种材料的晶格热导率计算与实验对比