北航最新《Science》展望！已在Science發表多篇該領域重要成果_風聞

熱電轉換技術是一種可以直接和可逆地將熱能轉化為電能的方式。雖然熱電能量轉換永遠不會像蒸汽機那樣高效，但是改善熱電性能有可能使這項技術具有商業競爭力。3月13日，北京航空航天大學趙立東教授等人在《Science》發表展望性文章，介紹了尋找新型的高效熱電技術的方法，以及一些極具發展前途的熱電材料。趙立東團隊在《Science》發表了多篇熱電材料領域的重要成果（點此查看）。

論文鏈接

https://science.sciencemag.org/content/367/6483/1196

熱電轉換效率是用所謂的無量綱優值來估計的，即：ZT = S2σT/κ，其中，S，σ，T，κ分別表示塞貝克係數，電導率，工作温度，和熱導率。這些參數是緊密聯繫的，因此改進最終的ZT具有挑戰性。提高熱電性能的策略包括納米結構設計、能帶工程、磁性納米合成、高通量篩選技術等。但這些策略產生較高ZT的温度範圍較窄，限制了整體的能量轉換。因此，尋找工作温度範圍較寬的材料可能需要重新思考發展戰略。

尋找熱電材料存在的挑戰

熱電裝置由許多級n型和p型耦合組成，裝置效率與熱電材料的性能密切相關。熱電材料按其工作温度分為三個温度範圍，碲化鉍（Bi2Te3）是一種在400K以下工作的典型熱電材料，鉛基硫族化合物是一種在600至900K範圍內工作的熱電材料，硅鍺和Zintl相在1000K以上表現出最佳的性能。在最佳工作温度下的最佳熱電性能由於本徵激發而受到帶隙（Eg）的限制。同時這個帶隙Eg=2eSmaxT，其中e是單位電荷，Sm為最大塞貝克係數， T對應於Smax的温度，塞貝克係數表示在温度梯度內產生的電壓。

帶隙規則也就意味着最常見的熱電材料是窄帶隙半導體。隨着帶隙的增加，這些熱電材料的最大ZT（ZTmax）值會轉變為更高的温度。為了充分發揮其潛力，熱電材料必須在數百開爾文的整個工作範圍內工作。一種實現此目的的方法是使用分段的方法（圖1），但是界面電阻和不匹配的相容性因素會降低在高温下的長期性能。

圖1.尋找熱電材料

熱電材料選擇原則

寬帶隙半導體可以解決這一温度範圍問題，但往往具有較差的電性能，其中寬帶隙SnSe（〜0.86 eV）已被證明是一種出色的熱電材料。其SnSe的ZT曲線覆蓋了幾種窄帶隙熱電材料。SnSe 在低温下具有引人注目的ZT值，在不超過800 K的情況下會連續增加而不會飽和。SnSe的幾個特殊功能為可在較寬温度範圍內工作的新型熱電材料提供了一些一般選擇規則。

首先，寬帶隙避免了本徵激發，從而ZT在高温下數值不會飽和。第二，層狀結構可以具有高的面內傳輸特性，從而避免了通常較低的困擾寬帶隙半導體的載流子密度。寬帶隙半導體因其固有的低載流子密度而被視為有前途的熱電器件。由於ZT參數相互關係，偏離了最佳載流子密度（n）。為了在低載流子密度的材料中實現高電傳輸性能，可以在層狀結構中沿面內方向找到高載流子遷移率（µ），因此層狀材料可以達到高電導率σ=neµ。

此外，低載流子密度允許高的塞貝克係數，從而得到超高功率因數（PF=S2σ）。第三，低對稱結構與低晶格熱導率相關（κlat），由於低的載流子密度，從而擁有一個低電子熱導熱率（κele）。非對稱晶體結構具有強烈的不協調的晶格振動，可用於降低熱導率，其更復雜的電子帶結構也對熱電材料具有吸引力。由於ZT參數之間的複雜相互作用，因此選擇規則不適用於所有材料，但至少應該為候選材料提供一個粗略的指南。由於n型和p型材料具有相似的傳輸原理，識別潛在的高效熱電材料的選擇規則是合適的。

具有發展前途的熱電材料

在這些選擇規則中，可以確定一些有前途的熱電材料，例如BiCuSeO，BiSbSe3，K2Bi8Se13和Sb2Si2Te6。各向異性輸運特性應使得這些材料的晶體形式的性能改善，在這些材料中，SnSe和SnS等晶體，擁有更高的載流子遷移率。而且，通過將當前的選擇規則與揭示本質上較低的熱導率的方法相結合，可以期望這些各向異性熱電材料具有更高效率的熱電性能。

最後，還必須提到的是，並不是每一種材料都具有較高的ZT值，高ZTave熱電材料最終變成商用設備可能極具挑戰性，尤其是在較高温度下。高温會加劇高性能熱電器件和接觸電極之間的界面電阻率和擴散，隨着時間的推移會降低熱電性能。這些問題中的一些可以通過設備工程解決，但目前的選擇規則也為尋找不同類型的熱電材料提供了建設性的意見。（文：Caspar）

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