Undersøgelse viser, at interstitiel Cu reducerer defekttætheden i matrix og undertrykker den donorlignende effekt

På grund af kapaciteten til direkte og reversibelt at omdanne varme til elektricitet, har termoelektrisk (TE) materiale potentielle anvendelser i solid-state varmepumpning og udstødningsvarmegenvinding, hvilket tiltrækker verdensomspændende opmærksomhed. Bi₂ Te₃ skiller sig ud for sine fremragende termoelektriske egenskaber og er blevet brugt i kommercielle termoelektriske enheder.

Men udviklingen af ​​Bi₂ Te₃ -baserede termoelektriske enheder er alvorligt hæmmet af de svage mekaniske egenskaber og lave TE egenskaber af n-type Bi₂ (Te, Se)₃ . Derfor er det vigtigt at udvikle en højtydende n-type Bi₂ Te₃ polykrystallinsk materiale.

For at løse dette problem er en undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet Science Bulletin , indført ekstra Cu i den klassiske n-type Bi₂ Te_2.7 Se_0.3 for at optimere dens lokale defekttilstand, og en to-trins varm deformationsproces blev anvendt til at konstruere den højteksturerede polykrystallinske Bi₂ Te_2.7 Se_0.3 materiale.

Denne forskning afslører, at den ekstra Cu er i stand til at komme ind i van der Waals-mellemrummene mellem Te ⁽¹⁾ -Te ⁽¹⁾ lag i Bi₂ Te_2.7 Se_0.3 matrix, der undertrykker dannelsen af ​​de anioniske ledige stillinger. Denne reduktion i defekttæthed bidrager til gitterafklaring i Cu_0,01 Bi₂ Te_2.7 Se_0.3 , der forbedrer transportørmobiliteten af ​​Bi₂ Te_2.7 Se_0.3 fra 174 cm ² V ^–1 s ^–1 til 226 cm ² V ^–1 s ^–1 med 1 % yderligere Cu, hvilket resulterer i en maksimal ZT på 1,10 ved 348 K.

Efterfølgende er det SPS-sintrede Cu_0,01 Bi₂ Te_2.7 Se_0.3 bulkmateriale gennemgik en to-trins varm deformationsproces. Da det interstitielle Cu kan stabilisere gitteret og effektivt undertrykke den donorlignende effekt. Bærerkoncentrationen af ​​varm deformationsprøve forbliver næsten uændret, mens dens kornorientering og kornstørrelse er steget betydeligt, hvilket dramatisk øger bærerens mobilitet fra de oprindelige 174 cm ² V ^–1 s ^–1 til 333 cm ² V ^–1 s ^–1 , hvilket repræsenterer en stigning på 91 % efter den varme deformationsproces.

Denne betydelige forbedring i elektroniske egenskaber bidrager til en væsentlig forbedring af ZT til varm deformationsprøve. ZT_max af den teksturerede Cu_0,01 Bi₂ Te_2.7 Se_0.3 når 1,27 ved 373 K, og dens gennemsnitlige ZT-værdi er 1,22 i intervallet 300-425 K, næsten dobbelt så meget som den oprindelige Bi₂ Te_2.7 Se_0.3 .

Desuden blev en 127-par termoelektrisk køleanordning (TEC) fremstillet ved at bruge den teksturerede Cu_0,01 Bi₂ Te_2.7 Se_0.3 prøve kombineret med kommerciel p-type BST. TEC-modulet opnåede køletemperaturforskelle på 65 K og 83,4 K ved hot-end-temperaturer (T_h ) på henholdsvis 300 K og 350 K, hvilket er overlegent i forhold til den kommercielle Bi₂ Te₃ -baserede TEC-moduler. Og et 7-par termoelektrisk generatormodul (TEG) blev konstrueret ved at bruge de samme materialer.

TEG-modulet viste en signifikant høj konverteringseffektivitet på 6,5 % ved en temperaturforskel på 225 K, hvilket er sammenligneligt med andre avancerede Bi₂ Te₃ -baserede TEG-moduler.

Flere oplysninger: Yichen Li et al, Realisering af højeffektivt termoelektrisk modul ved at undertrykke donorlignende effekt og forbedre foretrukken orientering i n-type Bi2(Te, Se)3, Science Bulletin (2024). DOI:10.1016/j.scib.2024.04.034

Leveret af Science China Press