[发明专利]一种提升Sb2

说明书

本发明涉及一种提升Sb₂Te₃基材料热电性能的方法，通过向P型Sb₂Te₃热电材料中引入N型Bi₂Te₃，构成PN结来提升Sb₂Te₃基材料热电性能，通过调整两物相的比例，实现对材料基体中PN结浓度的调控。当Bi₂Te₃与Sb₂Te₃的化学计量比为0.15：0.85时，材料拥有最好的电学性能，328K时有最大的PF为26.34μW K^‑2cm^‑1；同时由于PN结对载流子和声子的散射，显著降低了材料的热导率，在451K时热导率为0.89W m^‑1K^‑1；因此该试样拥有最有的热电性能，在401K时ZT_max达1.03(较纯相Sb₂Te₃提升了25.6％)，同时在整个测试温区(300～550K)获得最大的ZT_ave＝0.89(较纯相Sb₂Te₃提升了40.2％)。

技术领域

本发明属于热电材料制备技术领域，具体涉及一种提升Sb₂Te₃基材料热电性能的方法。

背景技术

随着全球经济的不断发展，传统的一次化石能源日益枯竭，同时过度的使用和不当的后处理对环境造成的污染问题日趋严重，因此清洁能源和新型能源材料的开发受到人们的广泛关注。

热电材料，是一种通过固体中载流子的输运将热能和电能直接相互转换的功能材料。以热电材料为核心制造的温差发电或热电制冷的器件，具有无噪音、无污染，维护成本低，使用寿命长，体积小等优点，具有极其广泛的应用前景。当前无量纲热电优值ZT来表征来衡量材料的热电性能，因此高的ZT可以保证热电器件具有较高的热电转化效率。理论和实验证明，当材料的ZT超过1即有应用的前景，当ZT超过3可以传统的压缩制冷技术的效率相当。然而，由于现有材料热电性能较差，故热电材料的广泛应用受到严重的制约。探究如何提升材料热电性能依然是当前热电领域研究的重点和难点。

热电材料的ZT可以定义为：ZT＝S²σT/κ，其中S为Seebeck系数，σ为电导率，T为绝对温度，κ为热导率。热电性能优异的材料须具备高的S和σ，低的κ。而S、σ、κ三者之间相互耦合，很难实现同时优化。界面是多晶材料的一种常见的结构缺陷，其存在对材料的性能有着强烈的影响。大量的研究工作表明，界面工程是提升材料热电性能的有效途径。

近期研究发现：声子和电子在传输过程中具有不同的波长，因此通过向材料中引入合适的第二相，形成高密度的界面结构，一方面可以散射声子，降低材料晶格热导率；另一方面，可形成的界面势垒，并基于能量过滤效应来优化材料的电学性能。但目前引入材料中界面通常形成的是PP/NN结或金属-半导体异质结，如向N型Bi₂Te₃中引入 N型Bi₂Se₃形成NN型异质结，在P型PbTe基体中引入P型PbS形成PP 结，引入Cu、Ag等金属颗粒形成金属-半导体界面。在一定程度维持了材料优异的电学性能，同时较大幅度的降低了材料的热导率，实现了材料ZT的提升。

然而PN结作为一种常见的界面结构，却很少被应用于材料热电性能的提升，主要原因有以下两点：其一，在PN结的形成过程中，界面附近载流子复合，降低载流子浓度，同时还会形成电荷耗尽层，产生内建电场，阻碍载流子迁移，恶化材料的电导率；其二，由于具有PN结的材料中存在两种载流子，即电子和空穴，而这两种载流子对于材料贡献相反，如果材料中存在两种载流子的通路，那么其S将大幅降低。因此在当前热电领域的研究中，鲜有关于向材料中引入PN 结来优化材料热电性能的报道。