■  MnTe体系热电材料性能优化

近期，来自南方科技大学何佳清教授课题组的科研工作者，创造性地使用改变制备工艺引入层状结构以及引入Ge修饰点缺陷的复合优化策略，改善了MnTe体系材料的载流子浓度，提升了热电性能。使用Mn_0.96Ge_0.04Sb₂Te₄制备的热电发电器件（8对）在热端温度800K时发电量为0.81W，转换效率可以达到5%^[1]。该工作以《Microstructural Iterative Reconstruction toward Excellent Thermoelectric Performance in MnTe》为题，发表在《Energy & Environmental Science》上，其中热电发电器件的转换效率使用PEM-2测得。

图1、使用Mn_0.96Ge_0.04Sb₂Te₄制备的热电发电器件的结构示意图（a）；发电量、电压（b）及转换效率（c）与电流的关系；本工作与其他工作的比较（d）

参考文献：

[1] Luo Yiyuan et al., Microstructural Iterative Reconstruction toward Excellent Thermoelectric Performance in MnTe, Energy Environ. Sci., 2023, Advance Article

■  p型碲化锗基（GeTe）热电材料性能优化

南方科技大学何佳清团队将高熵稳定的策略用于协同调控材料的电、热传输性能，并应用到p型碲化锗基（GeTe）热电材料中。相关工作以《High figure-of-merit and power generation in high-entropy GeTe-based thermoelectrics》为题发表于《Science》上^[1]。在由高熵稳定获得的超低晶格热导率基础上，通过调控电子局域化程度，避免了无序引入对电子传输的影响，从而使高熵碲化锗基材料的电性能得到了显著提升。这种电性能和热性能的协同优化，很大程度提高了材料的热电优值，同时还实现了超高的器件转换效率，有利于高熵稳定概念在高性能热电材料开发中的应用。

本工作中材料的高温电输运性能（塞贝克系数S及电导率σ）使用日本Advance Riko公司生产的塞贝克系数/电阻测量系统ZEM-3测得，发电器件的发电量及热电转换效率使用日本Advance Riko公司生产的热电转换效率测量系统PEM-2测得。

图1. 碲化锗基热电材料（Ge_0.61Ag_0.11Sb_0.13Pb_0.12Bi_0.01Te）的电导率（A）、塞贝克系数（B）、功率因子PF（C）、热导率（D）、晶格热导率（E）、热电优值zT（F）与温度（T）的关系

参考文献：

[1] B. Jiang et al., High figure-of-merit and power generation in high-entropy GeTe-based thermoelectrics, Science 377, 208–213 (2022)

■  p型SnSe晶体室温附近的电传输性能研究

近日，北京航空航天大学材料科学与工程学院赵立东教授团队与南方科技大学、清华大学及武汉理工大学的科研团队合作，通过掺杂Pb，显著提高了p型SnSe晶体室温附近的电传输性能。该工作以《Power generation and thermoelectric cooling enabled by momentum and energy multiband alignments》为题目发表在《Science》上。

以往研究中，多选用窄带隙或半金属材料作为热电制冷材料，赵立东教授课题组则主要开发宽带隙热电材料，利用各向异性调和电输运与热输运的矛盾。该研究通过在动量空间和能量空间同时作用的多价带协同传输策略，实现了p型SnSe晶体热电性能的显著提升；并制备了基于SnSe晶体材料的热电器件，测试其温差发电性能（大发电量及功率），还实现了大温差的电子制冷。这一研究表明SnSe基晶体材料在温差发电和电子制冷方面有巨大潜力，使用p型SnSe晶体制备的器件，其制冷性能达到了使用传统BiTe基材料商用器件的70%（210K温差下），但SnSe基热电材料具有成本低、重量轻且储量更加丰富等优势，具备十分巨大的应用价值。

图1. 使用PEM-2测得的温差发电器件性能：电压（A）和输出功率（B）

以上工作中，材料的电导率、塞贝克系数使用日本Advance Riko公司生产的塞贝克系数/电阻测量系统ZEM-3测得，热电转换器件（TEG）的发电量、输出功率及热电转换效率使用日本Advance Riko公司生产的热电转换效率测量系统PEM-2测得。

图2. 使用PEM-2测得的温差发电器件的转换效率

■  热界面材料的性能评价

为了防止能量的浪费，利用热电转换模块将一部分的热能转换为电能从而存储起来是目前的常见做法。热电转换模块是利用了热电转换材料的塞贝克效应实现热能到电能的转化的。目前已商用的热电转换模块多采用图1所示的结构，为了提高热电转换的效率，经常在所示位置使用热界面材料（Thermal Interface Materials）以降低接触面之间的热阻。

图1 常见的热电转换模块（TE module）

理想的热界面材料一般应具有高导热性、高柔韧性及绝缘性等特性，常见的热界面材料有硅脂、硅胶、相变化材料（聚烯烃树脂、丙烯酸树脂、碳纳米管等）。为了检验不同材料及结构的热界面材料对热电转换效率的影响，制备了以下四种热界面材料（见图2）：a. 单面碳纳米管、b. 双面碳纳米管、c. 无碳纳米管和d. 无热界面材料。

图2 四种结构的热界面材料

使用商用的热电转换模块（Marlow Industries RC3-6-01S）分别与上述四种热界面材料耦合后测量热电转换效率。热电效率的测量采用日本ADVANCERIKO公司生产的热电转换效率测量系统PEM-2，该设备的样品模块见图3.

图3 PEM-2的样品模块

热电转换效率的测量结果见图4，与不使用任何热界面材料相比，单面的碳纳米管热界面材料可以提高35%的热电转换效率而双面的碳纳米管热界面材料可以提高60%的热电转换效率；与仅使用Cu箔作为热界面材料相比，单面和双面的碳纳米管热界面材料可以分别提高10%和25%的热电转换效率。

图4 使用不同热界面材料的热电转换效率测量结果

参考文献：

[1] Kimberly R. Saviers, Stephen L. Hodson, and Timothy S. Fisher. JOURNAL OF THERMOPHYSICS AND HEAT TRANSFER.

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30mm²样品测试结果

1. Y. Luo et al. / Energy Environ. Sci., 2023,16, 3743-3752

2. B. Jiang et al. / Science 377, 208 (2022)

3. B. Qin et al. / Science 10.1126/science.abi8668 (2021)

4. B. Jiang et al. / Nature Communications (2021) 12:3234

5. J. He et al. / Energy Environ. Sci., 2020,13, 2106-2114

6. H. Nakatsugawa et al. /  Journal of Elec Materi 49, 2802–2812 (2020)

7. X. Tang et al. / Energy Environ. Sci., 2018,11, 1520-1535

8. P. Qiu et al. / Adv. Sci. 2017, 1700727

9. L. Chen et al. / Nat Commun 6, 8144 (2015)

国内用户

中国科学院上海硅酸盐研究所

中国科学院大连化学物理研究所

中国科学院福建物质结构研究所

武汉理工大学

南方科技大学

深圳大学

中国核动力研究设计院

......

国外用户

日本国立物质材料研究所（NIMS）

九州大学（日本）

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高性能热电材料/器件性能测量与表征系列