碲基SnTe、GeTe材料的热电性能优化及机理研究

来源 :陕西师范大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:Norazhongli
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热电转换技术可实现电能和热能之间的直接相互转换,被认为是解决当前能源和环境问题的绿色发展技术之一。但是,相对较低的转换效率限制了其大规模的发展应用。热电器件的电-热转换效率取决于其组成的热电材料的本征参数,即无量纲优值ZT,而ZT由材料的电热输运性能综合决定。然而,材料的电输运和热输运参数之间往往相互耦合,难以实现协同优化,ZT无法大幅度提升从而限制了相应的电-热转换效率。因此,在环境友好绿色环保的热电材料体系中协调电声输运性能具有十分重要的意义。SnTe,GeTe作为价格低廉,绿色环保的中温区热电材料近年来受到了人们的广泛关注。然而SnTe、GeTe材料的本征热电性能并不优异,对于SnTe来说主要是由于以下几点原因所致:1、大量的Sn空位导致了高载流子浓度恶化了 Seebeck系数;2、轻重价带带隙较大,重价带不参与导电导致价带简并度和Seebeck系数较低;3、SnTe本征晶格热导率较大。对于GeTe来说主要是由于:1、Ge空位形成能较低导致Ge空位过多和载流子浓度过高;2、多价带边缘,对称性和简并度较低限制了 Seebeck系数的进一步提高。针对上述问题,对SnTe采取的措施有:通过异价原子掺杂调控载流子浓度、通过能带工程提高Seebeck系数、引入第二相和合金化形成纳米工程和缺陷工程降低晶格热导率;对GeTe采取的措施有:在(GeTe)17(Sb2Te3)(GST)的基础上通过同价原子取代降低Ge空位形成能、调控Sb2Te3的含量提高GeTe的对称性、退火进行微结构调控降低晶格热导率。本论文的主要研究结果如下:1、在In掺杂SnTe形成共振能级提升SnTe电性能的基础上,研究了 InSb对Sn0.995In0.005Te热电材料相结构、热电性能和微观组织结构的影响。研究表明,InSb以纳米析出第二相的形式存在于SnTe的晶格中,InSb析出第二相对电性能的影响很小,但通过纳米工程显著降低了晶格热导率。在InSb含量为2%时,有超低晶格热导率~0.32Wm-1K-1@ 873 K,相比于Sn0.995In0.005Te热电材料降低了 27%,最终ZT提升了 37%;2、研究了 Cd掺杂对SnTe价带结构的调控作用,Cu2Te合金化对晶格热导率的降低作用,I掺杂对载流子浓度的调控作用。研究表明,Cd掺杂通过能带工程使SnTe的轻重价带收敛,其价带带隙由0.35 eV降低至0.1 eV,有效提升了价带简并度和Seebeck系数,在Cd含量为5%时,Seebeck系数可达~180 μVK-1@823 K;在Cd掺杂的基础上,Cu2Te合金化形成了间隙Cu原子和CdTe/Cu2Te共析纳米沉淀,通过缺陷工程和纳米工程的结合显著增强了声子散射降低了晶格热导率,当Cu2Te的含量为5%时存在超低晶格热导率,可低至~0.42 Wm-1K-1@873 K;在此基础上,通过I异价原子掺杂进一步调控载流子浓度,在不影响晶格热导率的前提下优化电运输性能。最终,(Sn0.95Cd0.05Te)0.93(Cu2Te)0.07-1%I热电材料的ZT在823K时可达 1.42;(Sn0.95Cd0.05Te)0.93(Cu2Te)0.07-2%I 热电材料的平均 ZTave 在 323~823K温度区间内可达0.65;3、研究了 Pb取代Ge、Sb2Te3含量、退火时间对(GeTe)17(Sb2Te3)(GST)热电性能的影响。研究结果表明,有效的PbGe取代可降低Ge空位以及载流子浓度,显著提升Seebeck系数;通过调控Sb2Te3的含量,提高GeTe的晶格对称性和能带简并度,电性能得到进一步优化;在此基础上,利用退火对(Ge0.91Pb0.09Te)17.5(Sb2Te3)0.5样品进行进行微结构调控,即范德华间隙的调控,通过缺陷工程显著降低了材料的晶格热导率,当退火时间为4天时,存在超低晶格热导率~0.34 Wm-1K-1@773 K。
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