《EES》！热电转换效率测量设备助力客户铜基热电材料研究取得重要进展
发布日期：2023-03-24
导读：当今，化石能源短缺和环境污染问题凸显，能源的多元化和高效多级利用成为解决能源与环境问题的一个重要途径。作为一种绿色能源技术和环保型制冷技术热电转换技术受到学术界和工业界的广泛关注。热电转换技术是利用材料的塞贝克效应与帕尔贴效应将热能和电能进行直接转换的技术，包括热电发电和热电制冷。这种技术具有系统体积小、可靠性高、不排放污染物、适用温度范围广等特点。热电器件可以实现热能和电能的直接转换，在废热回收和固态制冷领域具有重要的研究价值，对热电发电器件的能量转换效率进行精确测量是评价热电材料和器件性能的重要基础。
热电转换技术是一项基于半导体材料的新能源技术。基于材料的塞贝克效应和帕尔贴效应，该项技术能够实现温差发电和通电制冷的效果，其分别在工业废热回收利用和电子制冷领域有着重要的应用。相比于传统能源转换技术，热电转换技术具有器件尺寸高度可控、可靠性高、无运动部件、无污染和无噪音等优势。热电材料性能指标的关键在于能源转换效率，其由材料的无量纲热电性能优值（zT值）决定。随着热电材料领域的研究越来越受重视，不断涌现出了诸多提升zT值的有效策略：优化载流子浓度以提高电导率；调整电子能带结构、晶体结构、相结构等优化电传输性能；通过引入点缺陷、位错、晶界、纳米级沉淀物等进行多尺度分层架构设计以降低热导率；探索和开发具有本征低热导率特性的新材料体系；通过高通量及基于基因计算等预测潜在热电材料等。
类金刚石化合物是从单质Si及闪锌矿半导体等金刚石结构物质衍生而来，具有金刚石结构的四面体结构。四元类金刚石材料Cu2CdSnSe4[1]和Cu2ZnSnSe4[2]等的热电性能逐渐受到重视，其zT值在700K及850K分别达到了0.65及0.95。此后，多种类金刚石结构化合物的性能得到研究，许多体系的ZT值超过了1。近期，重庆大学周小元团队与其合作者通过在Cu3SbSe4中加入CuAIS2（1−6wt%）的方法提高了材料的电输运性能、降低了晶格热导率，同时材料的热稳定性和力学性能也得到了提升，给热电器件（TEG）的制作与应用带来了益处，该工作以《High Thermoelectric Performance and Compatibility in Cu3SbSe4-CuAlS2 Composites》为题，发表在能源与环境科学领域顶级期刊《Energy & Environmental Science》 (EES)上[3]。
实验结果表明，Cu3SbSe4-CuAIS2复合材料在300 - 723 K的温度范围内平均zT值为0.77，峰值可以达到1.8，均为已公开报道的最高值。
图1. 300-723K温度区间内Cu3SbSe4 and Cu3SbSe4-5 wt% CuAlS2zT值与温度的关系（a）、本工作与其他公开报道的铜基-类金刚石热电材料的zT值比较（b）
使用p型Cu3SbSe4-5% CuAlS2制成的单腿器件，其热电转换效率达到了3.3%（ΔT=367K）。
图2. p-type Cu3SbSe4-5% CuAlS2单腿器件的转换效率（a）及发电量（b）与温度的关系
值得注意的是，本文中单腿器件的转换效率及发电量测量是在Advance Riko公司的小型热电转换效率测量系统Mini-PEM上进行的，Quantum Design中国做为日本Advance Riko, Inc.公司的合作伙伴，很荣幸高性能的小型热电转换效率测量系统Mini-PEM可以助力本研究的发表。
日本Advance Riko公司已专业从事“热”相关技术和设备的研究开发近60年，并一直走在相关领域的前端，为世界各地的科学研究及生产活动提供了诸如红外加热、热分析/热常数测量等系统。2018年初，Quantum Design 中国公司将日本Advance Riko公司先进的热电材料测试设备：小型热电转换效率测量系统Mini-PEM、塞贝克系数/电阻测量系统ZEM、热电转换效率测量系统PEM及大气环境下热电材料性能评估系统F-PEM引进中国。
2018年7月，Quantum Design中国与日本Advance Riko达成协议，作为其热电材料测试设备在中国的代理商继续合作，携手将日本Advance Riko先进的热电相关设备介绍到中国。
目前，所有中国用户购买的日本Advance Riko热电产品，均由Quantum Design中国公司的工程师团队负责安装及售后服务。同时，Quantum Design 中国公司在日本Advance Riko公司的协助下，在北京建立部分热电设备示范实验室和用户服务中心，更好的为中国热电技术的发展提供设备支持和技术服务。
参考文献：
[1] M. Liu et al., A wide-band-gap p-type thermoelectric material based on quaternary chalcogenides of Cu2ZnSnQ4 (Q=S, Se), Appl. Phys. Lett. 94, 202103 (2009)
[2] M. Liu et al., Improved Thermoelectric Properties of Cu-Doped Quaternary Chalcogenides of Cu2CdSnSe4, Advanced Materials, Volume21, Issue37
[3] Y. Huang et al., High thermoelectric performance and compatibility in Cu3SbSe4–CuAlS2 composites, Energy Environ. Sci., 2023, Advance Article
