合肥研究院在提升多晶SnSe基熱電材料性能方面取得進展
近期，中國科學院合肥物質科學研究院固體物理研究所秦曉英課題組科研人員在提升多晶SnSe基熱電材料性能方面取得新突破。
熱電材料是實現熱能和電能直接相互轉換的新型能源材料，可利用傳統制造業(如汽車、鋼鐵、石化等)排放大量的工業余熱發電，對節能減排、保護環境有重要意義。用熱電材料制造的溫差發電和制冷裝置具有體積小、無需傳動部件、不排放污染物質、無磨損、可靠性高等諸多突出優點，在溫差發電和便攜式制冷等領域有重要應用前景。目前，熱電材料較低的熱電效率，仍是制約熱電器件大規模應用的主要因素。秦曉英課題組一直致力于研發高性能SnSe基多晶熱電材料，近期，該課題組科研人員在提升多晶SnSe基熱電材料性能方面又取得新突破。
為了優化SnSe多晶材料的電輸運性能，課題組李地等研究人員首先制備出多晶SnSe樣品，然后將適當比例的炭黑納米顆粒作為第二相引入到SnSe基體材料中。在300-910K的溫度范圍內研究了復合物樣品的熱電性能。研究表明，將炭黑納米顆粒加入到SnSe基體可提高基體的電導率，進而增強復合體系的功率因子，最終在炭黑體積含量為2.5%的復合體系中實現1.21的最大ZT值。相關結果以Enhanced thermoelectric performance of SnSe based composites with carbon black nanoinclusions 為題發表在國際期刊《應用物理快報》（Applied Physics Letters 109 , 173902(2016)）上。
課題組副研究員張建與南京理工大學副教授唐國棟、北京航空航天大學教授趙立東等，通過采用一種簡單易操作、低成本的低溫化學合成法，結合相分離和微結構調控等技術協調優化材料的電聲輸運性能，增強材料功率因子的同時使材料的熱導率明顯下降，極大地提高了SnSe多晶熱電材料性能。研究表明，通過降低材料的合成溫度結合快速非平衡燒結方法降低材料的固溶度，產生析出相，得到SnSe-PbSe相分離材料。由于Pb摻雜提高了載流子(空穴)濃度，且PbSe相對于SnSe具有更窄帶隙和更高電導率，因此PbSe第二相有效提高了SnSe基體相的電導率和功率因子；另一方面，通過分層構架設計材料的微觀結構，調控材料的聲子輸運過程，大幅度降低了材料的熱導率。基于以上協同作用，共同調控優化材料的電聲輸運性能，實現了熱電材料性能的新突破，使材料的熱電優值ZT提升到1.7，打破了現有SnSe塊體多晶材料報道的最高熱電優值記錄。這一研究對推動熱電材料的研發與應用，進而實現產業化具有重要意義。相關研究成果以Realizing high figure of merit in phase-separated polycrystalline Sn1-xPbxSe 為題發表在國際期刊《美國化學會志》（Journal of The American Chemical Society 138, 13647 (2016)上。
以上工作得到國家自然科學基金、安徽省自然科學基金以及中科院固體所所長基金的支持。
圖1. 不同體積含量炭黑與SnSe復合體系的XRD圖譜及熱電性能隨溫度變化曲線
圖2. 復合材料的透射電子背散射衍射(T-EBSD)相圖。表明復合材料由PbSe立方相和正交SnSe相構成。
圖3. SnSe-PbSe復合材料分別沿垂直于和平行于壓力方向的熱電性能，平行壓力方向的ZT值達到1.7。
