熱電能源材料研究取得重大突破

樂(lè)毅

[本刊訊]北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院趙立東教授等利用硒化錫獨(dú)有的特殊電子能帶結(jié)構(gòu)和多谷效應(yīng)，大幅提高其在300-773開(kāi)寬溫區(qū)范圍內(nèi)的熱電性能，硒化錫在新能源領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用邁出了關(guān)鍵一步。相關(guān)研究成果2015年11月26日在線發(fā)表于Science。

熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)是一種利用半導(dǎo)體材料直接將熱能與電能進(jìn)行相互轉(zhuǎn)換的技術(shù)，憑借系統(tǒng)體積小、可靠性高、不排放污染物質(zhì)、適用溫度范圍廣等特點(diǎn)，受到重點(diǎn)關(guān)注。熱電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是深空探測(cè)器和航天探測(cè)器上不可取代的可靠電源，近年來(lái)在全球范圍內(nèi)掀起了熱電能源材料的研發(fā)熱潮。熱電轉(zhuǎn)換效率是衡量熱電材料性能的關(guān)鍵指標(biāo)，它主要取決于材料的性能優(yōu)值ZT，然而實(shí)現(xiàn)高熱電優(yōu)值ZT是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。同時(shí)從熱電材料研究和應(yīng)用的大趨勢(shì)來(lái)看，優(yōu)秀的熱電材料還需要兼顧資源儲(chǔ)量和環(huán)境兼容性。

趙立東對(duì)候選材料進(jìn)行了大規(guī)模篩選和對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)硒化錫是一種很有發(fā)展?jié)摿Φ膲K體熱電材料，除了儲(chǔ)量豐富和環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)外，它還具有比目前最好的中溫區(qū)熱電材料碲化鉛更低的熱導(dǎo)率。但硒化錫在300-773開(kāi)溫度范圍內(nèi)刀值很低，這一點(diǎn)嚴(yán)重限制了其在這一重要溫度區(qū)間的使用。硒化錫具有非常復(fù)雜的價(jià)帶結(jié)構(gòu)，擁有不同有效質(zhì)量和遷移率的價(jià)帶之間能隙很小。趙立東及其合作者利用硒化錫的多帶特點(diǎn)，采用重?fù)诫s移動(dòng)費(fèi)米能級(jí)成功調(diào)控了硒化錫的導(dǎo)電性和溫差電動(dòng)勢(shì)，使其在中低溫區(qū)的ZT值從0.1-0.9大幅提升至0.7-2.0。如果選取300開(kāi)和773開(kāi)分別為低溫端和高溫端，硒化錫作為熱電器件的D型材料搭配同樣性能的n型材料可以產(chǎn)生16.7%的理論發(fā)電效率，這意味著開(kāi)發(fā)一種同時(shí)具備性能優(yōu)異、儲(chǔ)量豐富而且環(huán)境友好的熱電能源溫差發(fā)電材料已成為可能。