我院罗中箴教授与合作者在高性能N型PbS热电材料方面取得重要进展

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发布时间:
2022-04-19
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随着化石能源消耗的日益增长,人类面临着能源危机和环境污染的双重挑战。为此,科学家们提出了两种解决途径:一是发展新型清洁能源;二是提高能源的利用效率。固态热电转换技术可以将废热直接转化成电能,提高能源的利用效率,从而能够有效的缓解全球能源危机并降低碳排量。热电转换技术的效率是由材料的热电优值ZT决定的。提高材料的ZT尤其是平均热电优值ZTavg,是提高转化效率的关键。但是,由于热电参数(包括电导率、泽贝克系数和热导率)之间存在强相互耦合作用,使得ZT的提高异常困难。

铅基硫属化合物PbXX=TeSeS是中温区500900 K)综合性能优异的热电材料。尤其是PbTePbSe具有较高的热电性能。然而,TeSe元素在地壳中的丰度较低,原材料价格高,导致热电器件制造成本高,限制了其大规模的应用。虽然PbS因其较低的热电性能而长期被忽视,但相较于PbTePbSe,其具有更高的熔点和稳定性,能够在更宽的温度范围内稳定工作。而S元素的高性价比也使得PbS材料在近年来受到越来越多的关注。近期,bet356官网手机app罗中箴教授与合作者实现了NPbS材料电输运机理和热电性能的新突破。所研制的NPbS材料在400923 K温度区间平均热电优值ZTavg高达0.76,是NPbS热电材料目前报道的最高值。

研究发现,在Sb掺杂的NPbS中,通过合金化GeS,发生Ge价态歧化反应,生成了Pb5Ge5S12第二相。Pb5Ge5S12的生成引入了S空位,提高了载流子浓度和电导率,优化了电输运性能。通过对Pb5Ge5S12半导体价带和导带的测量发现,其与PbS基体具有接近的导带位置,保证了载流子较高的迁移率。相较于在PPbX中通常采用的价带对齐优化策略,文章创新性地实现了NPbX体系的导带对齐。另一方面,由点缺陷(固溶的偏心Ge原子、掺杂剂Sb,以及S空位)、纳米尺度Ge和中尺度Pb5Ge5S12共同构成了多尺度分级结构,能够有效散射声子,降低了材料晶格热导率。最终实现了电、热输运性能的同时优化,获得了0.76ZTavg,这是目前NPbS热电材料报道的最高值。同时,首次合成了Pb5Ge5S12半导体的玻璃态和多晶材料,并研究了其基本的物理性能。

1. PbS基体中合金化GeS时,形成的第二相Pb5Ge5S12PbS基体实现了导带对齐,保证了载流子较高的迁移率(图a)。另一方面,由点缺陷(固溶的偏心Ge原子、掺杂剂Sb,以及S空位)、纳米尺度Ge和中尺度Pb5Ge5S12共同构成了多尺度分级结构,增强声子散射,有效降低了材料晶格热导率(图b)。

2. 莫特肖特基以及紫外光电子能谱测试表明Pb5Ge5S12PbS实现导带对齐。Pb5Ge5S12在有效增强声子散射,引入S空位提高载流子浓度的基础上,维持了载流子的高迁移率。

3. 点缺陷(固溶在PbS基体的偏心Ge、掺杂剂Sb,以及S空位)、纳米尺度Ge和中尺度Pb5Ge5S12共同构成了多尺度分级结构,有效散射了声子;同时,由于Pb5Ge5S12与基体PbS导带对齐,维持了载流子的高迁移率(图a),最终实现了电、热输运性能的同时优化,有效提高了ZTavg (图b)。相关研究成果发表在Journal of the American Chemical Society上。

bet356官网手机app热电功能材料实验室(2020年依托bat365官网登录入口成立)罗中箴教授为该论文第一作者,论文得到了邹志刚院士、新加坡南洋理工大学颜清宇教授和美国西北大学Mercouri G. Kanatzidis教授的指导。该研究获得闽都创新实验室、科技部国家重点研发专项、国家自然科学基金等项目的资助。

文章链接:https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.2c01706.


(罗中箴供稿)