PbTe基和Cu2Se热电材料的高压合成及性能研究

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随着人类的社会发展,能源问题和环境问题日益突出。寻找新型清洁能源、提高能源使用效率刻不容缓。热电材料是一种能够直接实现电能与热能互相转化的半导体功能材料。由热电材料制成的温差发电或制冷器件被广泛应用于工业余热发电、航空、微电子以及制冷等领域。近年来随着对热电材料的深入研究,热电材料的转化效率得到了很大的提升。PbTe体系和Cu2Se体系作为中温热电材料,其热电优值(ZT)在900 K左右已突破2.0,应用前景广阔。本文采用高压方法制备PbTe和Cu2Se体系热电材料,并通过固溶和掺杂等手段调控相关材料的电声输运过程,提高材料的热电性能。主要成果如下:采用高压合成结合放电等离子烧结技术制备了不同元素掺杂的n型PbTe化合物。研究表明,这些样品的热电性能与载流子浓度密切相关。对于不同的掺杂元素,随着载流子浓度的增加,其峰值ZT增大并向高温端移动;与此同时,低温端的热电性能则变的较差,使得测量温度范围内的平均ZT下降,不利于热电转化实际应用。对实验数据分析发现,单元素掺杂的n型PbTe材料最佳载流子浓度在1019 cm-3附近,相应材料的平均ZT值较高(约为0.7),其中Cr掺杂PbTe样品的的平均ZT值达到0.75。平均ZT值的高低决定了热电材料器件的性能,我们的研究为提高n型PbTe热电材料器件的性能提供了基础。采用高压合成结合放电等离子烧结技术制备了n型铝掺杂PbTe-PbSe样品,探索了进一步提高PbTe材料热电性能的有效途径。硒的引入对调控PbTe材料的热电性能主要有两方面的作用。首先,在掺杂铝的基础上,通过改变硒的含量,可以进一步调控材料的载流子浓度,优化材料的功率因子;其次,通过合金化作用,极大地抑制了材料的晶格热导率,最低值达到0.46 Wm-1K-1。通过载流子调控和合金化的共同优化,AlxPbTe1-ySey样品的热电性能得到了显著的提高。其中Al0.02PbTe0.75Se0.25样品的平均ZT达到了0.82,与Al0.02PbTe相比提高了60%。这也为进一步提高n型PbTe材料的热电性能提供了线索。采用高压合成结合放电等离子烧结技术制备了n型InxSb0.02PbTe和PbTe-x%InSb。研究表明,与在材料中引入锑化铟第二相相比,铟、锑共掺杂对于提高PbTe热电性能更为有效。对于铟锑共掺杂样品,在固定锑掺杂量的基础上改变铟掺杂量,可以在不影响高温载流子浓度的同时实现对低温载流子浓度的优化,提升材料的室温热电性能,并得到更加优异的平均ZT值。铟掺杂量为0.3%和0.5%的样品将室温ZT提高到0.3,峰值ZT达到1.1,平均ZT达到0.74,远高于未掺铟的Sb0.02PbTe样品(平均ZT为0.56)。考虑到实际应用的成本以及对环境的影响,我们研究了Cu2Se热电材料。采用冷压方法快速合成了非化学计量比的Cu2Se,并对其结构和热电性能进行了研究。相比于传统合成手段,冷压合成具有高效、节能、环保、成分易调控、可重复性高等诸多优点。冷压合成的Cu2-xSe样品反应完全且结晶性良好,密度达到理论密度的98%以上。随着铜含量的减少,Cu2-xSe样品逐渐由单斜a相向立方b相转变,空穴浓度进一步增加。Cu1.9Se样品的功率因子在900 K达到最大,为1600μWm-1K-2。Cu1.975Se样品最大ZT值为1.4(900 K),与其他合成方法相比也是较高的值。除此之外,通过第一性原理计算与实验相结合发现,冷压合成Cu2Se过程中存在中间产物,其生成顺序依次为Cu3Se2,Cu2-xSe,Cu2Se。
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