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近期，中科院合肥研究院固體所能源材料與器件制造研究部秦曉英研究員課題組與南方科技大學合作在p-型Bi0.4Sb1.6Te (BST)材料體系熱電性能調控方面取得新進展。研究人員基于散射工程策略向BST基體中引入 PbSe納米顆粒以同時調控對少子、多子以及聲子的散射，從而大幅提升高溫區的熱電勢并降低晶格熱導率，使含0.2vol. % PbSe的復合樣品的最大ZT（熱電優值）達到1.56 (420K)，在300-512K溫區內的平均ZT達到了1.44，對應理論熱電轉化效率達到11%。相關成果以“Achieving High Thermoelectric Performance in P-Type BST/PbSe Nanocomposites through the Scattering Engineering Strategy”為題發表在ACS Applied Materials & Interfaces 上。
熱電技術作為有望解決能源問題的新途徑近些年來引起廣泛關注。熱電材料的轉化效率由無量綱量ZT表示，BST是一種理想的P型熱電材料，但由于其帶隙較窄，溫度大于350K時會因少子激發導致熱電勢下降且由于雙極擴散效應使得熱導率增加。因此，BST體系的熱電轉化效率在300-512K溫區內很難達到10%。
為此，科研人員通過向BST中添加PbSe納米顆粒，在導帶與價帶構建非對稱界面勢 (如圖1)，使得導帶的高勢壘強烈散射電子(少子)并抑制其輸運，高溫區熱電勢S(T)顯著增大 (如圖2(b))；而價帶的勢阱可以散射掉能量較低的空穴(多子)，通過能量過濾效應進一步提高熱電勢 (如圖2(c))。此外，由于引入的PbSe及其與BST的相界對聲子強烈散射，進而導致熱導率大幅降低，如圖(3)所示。分析發現，含0.2vol % PbSe的BST 樣品在300-512K間的平均ZT達到了1.44，對應理論轉化效率為11% (512K), 如圖(4)所示。該項研究對其它窄帶隙熱電材料的熱電輸運調控具有一定指導意義。
上述工作得到國家自然科學基金的支持。
文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.0c13542
圖1. (a) PbSe與BST的能帶以及界面處勢阱勢壘示意圖；(b) BST復合PbSe的示意圖； (c) PbSe/BST復合樣品中勢壘（紅色圓柱）與勢阱（藍色圓柱）對電子和空穴散射示意圖，其中紅球為電子，藍球為空穴。
圖2. 電阻率 ρ (a), 熱電勢 S (b), 遷移率μT (d) 隨溫度變化關系；(c)熱電勢隨載流子濃度變化趨勢。
圖3. 功率因子PF (a), 總熱導率 κ (b), κL+κbipolar (c), (d) ZT隨溫度變化關系。
圖4. (a) 0.2 vol. % PbSe/ BST復合樣品和BST基體在300 -512 K的平均ZT, 以及其它典型熱電材料的ZTave；(b) 0.2 vol.% PbSe/ BST復合樣品和BST基體在300 -512 K的熱電轉化效率 η 以及其它典型熱電材料的 η。
