热电能源材料研究取得重大突破

乐毅

[本刊讯]北京航空航天大学材料科学与工程学院赵立东教授等利用硒化锡独有的特殊电子能带结构和多谷效应，大幅提高其在300-773开宽温区范围内的热电性能，硒化锡在新能源领域的实际应用迈出了关键一步。相关研究成果2015年11月26日在线发表于Science。

热电转换技术是一种利用半导体材料直接将热能与电能进行相互转换的技术，凭借系统体积小、可靠性高、不排放污染物质、适用温度范围广等特点，受到重点关注。热电转换系统是深空探测器和航天探测器上不可取代的可靠电源，近年来在全球范围内掀起了热电能源材料的研发热潮。热电转换效率是衡量热电材料性能的关键指标，它主要取决于材料的性能优值ZT，然而实现高热电优值ZT是一个巨大的挑战。同时从热电材料研究和应用的大趋势来看，优秀的热电材料还需要兼顾资源储量和环境兼容性。

赵立东对候选材料进行了大规模筛选和对比研究，发现硒化锡是一种很有发展潜力的块体热电材料，除了储量丰富和环境友好等优点外，它还具有比目前最好的中温区热电材料碲化铅更低的热导率。但硒化锡在300-773开温度范围内刀值很低，这一点严重限制了其在这一重要温度区间的使用。硒化锡具有非常复杂的价带结构，拥有不同有效质量和迁移率的价带之间能隙很小。赵立东及其合作者利用硒化锡的多带特点，采用重掺杂移动费米能级成功调控了硒化锡的导电性和温差电动势，使其在中低温区的ZT值从0.1-0.9大幅提升至0.7-2.0。如果选取300开和773开分别为低温端和高温端，硒化锡作为热电器件的D型材料搭配同样性能的n型材料可以产生16.7%的理论发电效率，这意味着开发一种同时具备性能优异、储量丰富而且环境友好的热电能源温差发电材料已成为可能。