硫族化合物热电性能的研究

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对绿色清洁能源的日益渐增的需求推动了新型能源的探索,其中热电转换技术已成为一种非常有前途的解决办法,因为热电材料作为一种先进的新型功能材料,具有直接将热量转化为电能的能力,用该种材料制成的热电器件具有绿色环保、工作寿命长、稳定性好等优点。目前,发现的热电材料的种类繁多,其中硫族化合物是一类成本相对较低、环境友好、热电性能相对稳定的热电材料。Cu3SbSe3和AgSbSe2是硫族化合物中的两个典范,因特殊的结构而具有本征低热导特性,组成元素毒性小且地球含量丰富,是一类非常具有应用潜力的中温热电材料。但与其它传统中温区热电材料相比在性能上还存在着不足。本论文的研究目的是如何提升Cu3SbSe3和AgSbSe2的热电性能,主要研究结果如下:(1)探究了Ge掺杂对Cu3SbSe3化合物热电性能的影响。实验结果表明,Ge掺杂实现了在维持基体Cu3SbSe3功率因子的同时,大大降低热导率。最终,样品Cu3Sb0.96Ge0.04Se3的热电优值在673 K时达到了0.32,比没掺杂的提高了28%,表明Ge元素掺杂是能有效改善其热电性能。(2)探究了Cd掺杂对AgSbSe2热电材料性能的影响,结果表明用+2价的Cd代替+3价的Sb显著提高了其电导率,使得其功率因子提升而实现有效提高热电性能的作用。样品AgSb0.97Cd0.03Se2在623 K时最高ZT达到0.88,比未掺杂的样品提高了约293%,这说明Cd元素掺杂是提升其热电特性的有效手段。(3)研究了Zn掺杂对AgSbSe2热电材料性能的影响。实验结果表明,AgSb0.96Zn0.04Se2样品在制备过程中会生成纳米Ag颗粒第二相,因而导致产生Ag空位进一步提升了其电导率,同时第二相的存在还增强了声子的散射。最终,在该样品中获得优异的热电性能,在673 K时ZT值达到1.12,这比AgSbSe2提高了4.48倍,这一数值仅次于该体系最近做的最好的Bi掺杂和Pb掺杂,说明Zn掺杂是一种非常有效的提高AgSbSe2热电性能的手段。
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