北京航空航天大学最新Science：PbSe热电材料比Bi2Te3具有更好的冷却效果？

北京航空航天大学最新Science：PbSe热电材料比Bi2Te3具有更好的冷却效果

【导读】

热电技术可以实现热能到电能的直接转换；因此，可应用于深空探测(发电)、精密温度控制、电子器件热管理(热电制冷)等领域。然而，热电技术的广泛应用仍然受到热电材料性能的限制。热电制冷技术对于智能电子中的精确控温等过程有着重要的应用。目前使用的碲化铋(Bi₂Te₃)基制冷器受限于Te的稀缺性和不理想的制冷能力。

【成果掠影】

今日，北京航空航天大学赵立东教授、张霄副教授课题组合作，展示了如何通过网格设计策略去除晶格空位，从而将用作中温发电器件的PbSe转换为优异的热电制冷器。在室温下，基于n型PbSe和p型SnSe的七对器件产生了~73 kelvin的最大制冷温差，单桥臂发电效率接近11.2%。本工作将结果归因于每平方千伏每厘米的功率因子>52微瓦，这是通过提高载流子迁移率实现的。本工作的演示为基于地球丰富的无Te硒化物的热电制冷的商业应用提供了一条途径。相关论文以题为“Grid-plainification enables medium-temperature PbSe thermoelectrics to cool better than Bi₂Te₃”的论文发表在Science上。

【数据概况】

图1. 操纵构图的格网化策略© 2024AAAS

图2. 添加0.08 mol% Cu的n型Pb_1+xSe晶体的载流子传输性能© 2024AAAS

图3. 添加0.08 mol% Cu的PbSe和Pb_1.004Se晶体的微观结构表征© 2024AAAS

图4. 添加0.08 mol% Cu的n型Pb_1+xSe晶体的声子输运、ZT和发电性能© 2024AAAS

【成果启示】

总之，本工作基于网格平坦化策略，通过调控组分，开发了高效的n型PbSe晶体热电制冷材料。在添加0.08 mol% Cu的Pb_1+xSe晶体中，自补偿Pb通过占据本征Pb空位显著降低了缺陷浓度，从而有利于载流子传输，在较宽的温度范围内，特别是在环境温度附近，获得了超高的载流子迁移率和功率因子值。宽范围的热电性能对整体发电性能有很大贡献，在ΔT为420 K时实现了~11.2%的峰值转换效率。此外，Pb_1+xSe晶体的室温性能使其成为无Te热电制冷的有前途的候选者。通过将n型Pb_1+xSe与先前开发的p型SnSe晶体耦合，本工作构建了七对硒化物基热电制冷器件。该装置具有较高的制冷能力，室温下ΔT_max为~73 K，理论最大COP为~10。本工作证明了网格平坦化策略在开发更好的热电制冷器方面的有效性，本工作开发的硒化物基高性能材料和器件在热电制冷方面具有潜在的应用价值。

文献链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk9589

本文由温华供稿。