NIMS通過(guò)微量摻雜銅，成功地提高了 n 型 Mg 3 Sb 2基材料的熱電性能。然后，NIMS 和 AIST 通過(guò)將該材料與高性能 p 型材料結(jié)合構(gòu)建了一個(gè)模塊，在室溫和 320°C 之間實(shí)現(xiàn)了 7.3% 的轉(zhuǎn)換效率。這一性能可與半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)最好的基于Bi 2 Te 3的模塊相媲美。此外，高材料性能本身表明可能高達(dá) 11% 的效率。

人類使用的大部分能量都以廢熱的形式消散了。其中大約 90% 處于 320°C 以下的低溫范圍內(nèi)。全球正在大力開(kāi)發(fā)能夠?qū)⒌蜏貜U熱轉(zhuǎn)化為電能的熱電材料。實(shí)現(xiàn)高效的熱電轉(zhuǎn)換需要同時(shí)具有低導(dǎo)熱性和高導(dǎo)電性的材料。然而，開(kāi)發(fā)此類材料極具挑戰(zhàn)性，因?yàn)檫@兩種類型的導(dǎo)電性是相互關(guān)聯(lián)的。為此，Bi 2 Te 3半個(gè)多世紀(jì)以來(lái)，基于 - 的材料一直是將低溫?zé)崃哭D(zhuǎn)化為電能的最有效材料。由于Bi 2 Te 3基材料含有稀少的碲作為其主要成分，因此它們?cè)跓犭娹D(zhuǎn)換中的實(shí)際應(yīng)用非常有限。因此，非常需要開(kāi)發(fā)含有顯著較少碲的高性能熱電材料。

該研究小組發(fā)現(xiàn)，Mg 3 Sb 2基材料的熱電性能可以通過(guò)摻雜少量銅原子來(lái)提高。發(fā)現(xiàn)增強(qiáng)的性能是通過(guò)兩個(gè)獨(dú)立的機(jī)制發(fā)生的。首先，表明進(jìn)入間隙位點(diǎn)的微量銅原子會(huì)從根本上散射聲子(熱能載體)，從而大大降低熱導(dǎo)率。因此，散熱大大減少，提高了熱電轉(zhuǎn)換效率。二、銅原子進(jìn)入晶界有效地減少了電子的散射。結(jié)果，多晶材料的電遷移率(通常不如電導(dǎo)體)增加到與單晶材料的電遷移率相當(dāng)?shù)乃健Ｔ黾拥碾妼?dǎo)率減少了由焦耳熱引起的能量損失。這兩種機(jī)制同時(shí)降低了Mg 3 Sb 2基材料的熱導(dǎo)率和增加了電導(dǎo)率，從而提高了其熱電轉(zhuǎn)換效率。

我們的結(jié)果可能會(huì)促進(jìn)實(shí)際和廣泛使用僅包含少量稀有元素的熱電模塊來(lái)回收廢熱，從而顯著節(jié)約能源。此外，此類模塊可用于為各種類型的傳感器開(kāi)發(fā)獨(dú)立電源，這將需要大量實(shí)現(xiàn)社會(huì) 5.0 愿景。最后，在該項(xiàng)目中發(fā)現(xiàn)了改變聲子散射行為和控制晶界的新方法，可用于提高各種其他熱電材料的性能。

這項(xiàng)研究發(fā)表在Joule的在線版本上。

標(biāo)簽： 新型熱電材料