Team opnår 30 gange forbedring af termoelektrisk ydeevne i polykrystallinsk tinselenid

Den fortsatte udtømning af fossile brændstoffer-baserede energiressourcer fører os mod en voksende energikrise. Dette har derfor sat gang i en søgen efter bæredygtige alternative ressourcer. Termoelektrisk energikonvertering - en proces til at generere elektricitet fra spildvarme - har taget fart som den næste potentielle energihøstteknologi. Generatorer lavet af termoelektriske materialer bruges til at høste termisk energi via "Seebeck-effekten". Temperaturforskellen i det termoelektriske materiale skaber en strøm af ladningsbærere, der genererer elektrisk energi.

For effektiv konvertering skal et termoelektrisk materiale have en høj konverteringseffektivitet (ZT), som kræver en høj Seebeck-koefficient (S), en høj elektronisk ledningsevne (σ) og en lav termisk ledningsevne (κ). Materialet tinselenid (SnSe) er kendt for at udvise en rekordhøj ZT i sin enkeltkrystalform. Ydeevnen forringes dog i praktiske polykrystaller på grund af et lavt σ og et højt κ.

I en nylig undersøgelse offentliggjort i Advanced Science , et team af forskere fra Japan, ledet af lektor Takayoshi Katase fra Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) formåede at forbedre ZT af polykrystallinsk SnSe ved at demonstrere en høj σ og en lav κ samtidigt. Holdet opnåede dette bemærkelsesværdige gennembrud ved at introducere tellur (Te)-ion i strukturen af ​​SnSe.

Der var dog en fangst. Opløseligheden af ​​Te ^2- ioner i Se ^2- SnSe-stedet er ekstremt lavt under termisk ligevægt på grund af et størrelsesmisforhold mellem de to ioner, hvilket i høj grad begrænser ionsubstitutionen. Holdet tacklede denne udfordring ved at vedtage en to-trins ikke-ligevægtsvækstproces, som gjorde det muligt for dem at øge Te ^2- koncentrationsgrænse x op til 0,4 i Sn(Se_1-x Te_x ) bulkkrystaller.

"Tilføjelse af en ion med samme valenstilstand øger normalt ikke bærerkoncentrationen i ioniske halvledere. Men i vores tilfælde erstatter Te ^2- ioner ved Se ^2- site i SnSe øgede bærerkoncentrationen med tre størrelsesordener, hvilket førte til en høj σ. Derudover reducerede Te-ion-substitutionen drastisk κ til mindre end en tredjedel af dets værdi ved stuetemperatur," siger Dr. Katase.

Der har været to hovedstrategier til at opnå høj σ og lav κ i SnSe polykrystaller. Den ene er at tilføje ioner med en anden valenstilstand, såsom alkaliioner, for at øge bærerkoncentrationen. En anden er at kontrollere urenhedsadskillelsen for fononspredning. Der er således mange komplikationer involveret i syntesen af ​​højtydende polykrystallinsk SnSe.

Holdet viste imidlertid, at isovalent Te ion substitution øger σ og reducerer κ, samtidigt. Hvordan? Holdet udførte beregninger med de første principper for at belyse den mekanisme, der ligger til grund for forbedringen i ZT. Beregningerne viste, at den store Te-ion i SnSe dannede svage Sn-Te-bindinger. Denne Sn-Te-binding adskilles let, og der dannes en høj tæthed af Sn-tomrum i strukturen, hvilket fører til en høj hulkoncentration. Derudover reducerer de svage Sn-Te-bindinger fononfrekvensen (frekvensen af ​​gittervibration) og øger fononspredningen, hvilket resulterer i den lave κ.

Undersøgelsen præsenterer således en ny metode til at tilføje store ioner ud over deres ligevægtsgrænser, som kan vejlede fremtidige undersøgelser om optimering af de elektroniske og termiske egenskaber af termoelektriske SnSe polykrystaller. "Vi tror på, at vores resultater vil bane vejen for højtydende, praktiske termoelektriske materialer," siger Dr. Katase.

Vi håber bestemt, at hans vision ikke er for langt fra at blive realiseret. + Udforsk yderligere

Skift af flere halvledertyper for at øge termoelektrisk omdannelse af spildvarme