NIMS通過微量摻雜銅，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 通過將該材料與高性能 p 型材料結(jié)合構(gòu)建了一個模塊，在室溫和 320°C 之間實現(xiàn)了 7.3% 的轉(zhuǎn)換效率。這一性能可與半個多世紀(jì)以來最好的基于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 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)。全球正在大力開發(fā)能夠?qū)⒌蜏貜U熱轉(zhuǎn)化為電能的熱電材料。實現(xiàn)高效的熱電轉(zhuǎn)換需要同時具有低導(dǎo)熱性和高導(dǎo)電性的材料。然而，開發(fā)此類材料極具挑戰(zhàn)性，因為這兩種類型的導(dǎo)電性是相互關(guān)聯(lián)的。為此，Bi 2 Te 3半個多世紀(jì)以來，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，因此它們在熱電轉(zhuǎn)換中的實際應(yīng)用非常有限。因此，非常需要開發(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摻雜少量銅原子來提高。發(fā)現(xiàn)增強的性能是通過兩個獨立的機制發(fā)生的。首先，表明進入間隙位點的微量銅原子會從根本上散射聲子(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?。增加的電?dǎo)率減少了由焦耳熱引起的能量損失。這兩種機制同時降低了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)果可能會促進實際和廣泛使用僅包含少量稀有元素的熱電模塊來回收廢熱，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發(fā)獨立電源，這將需要大量實現(xiàn)社會 5.0 愿景。最后，在該項目中發(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。

這項研究發(fā)表在Joule的在線版本上。

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