[发明专利]N型PbTe基多晶热电材料及其制备方法

说明书

本发明公开了N型PbTe基多晶热电材料及其制备方法。该热电材料包括：硫元素和碘元素掺杂的PbTe基体；以及单质铅，所述单质铅与所述PbTe基体中的铅的摩尔比为(0.01～0.05)：1。该N型PbTe基多晶热电材料在400‑850K的温度范围内具有很好的稳定性和优异的热电性能，例如，该热电材料的功率因子可高达29μW/(cm K²)，热电优值在800K时可高达1.6，在400‑800K之间的平均热电优值可高达1.2，与P型PbTe基多晶热电材料的高热电优值区间相符合，从而使得该N型PbTe基多晶热电材料与P型PbTe热电材料组合形成的热电模块的性能更好。

技术领域

本发明涉及热电材料技术领域，具体地，涉及N型PbTe基多晶热电材料及其制备方法。

背景技术

热电材料是一种依托泽贝克效应和佩尔捷效应实现电能和热能相互转换的功能材料。利用热电材料制备的热电器件具有无噪声、无污染、无可移动部件等优点，可以根据需要在不同的工作环境中实现电制冷或者利用温差发电，具有广泛的应用前景。

热电材料性能的优劣由无量纲量热电优值ZT来衡量，公式为：ZT＝(σS²)T/κ，其中S为泽贝克系数，σ为电导率，κ为热导率，T为绝对温度，PF＝σS²为功率因子，κ＝κ_e+κ_l，κ_e为载流子贡献的热导，κ_l为晶格贡献的热导。为使热电材料具有高热电优值，热电材料需要具有较高的电导率和泽贝克系数，以及较低的热导率，但是这三个参数之间相互耦合，由材料本身的电子能带结构、内部载流子浓度以及声子散射机制所影响。目前，如何获得高热电优值的热电材料一直是相关领域的研究热点。

发明内容

本申请主要是基于以下问题和发现提出的：

碲化铅(PbTe)是中温区热电材料中最具竞争力的材料之一，其原子质量大，具有较低的热导率。由于具有双价带结构，P型碲化铅热电材料可以通过能带收敛策略，在不影响电导率的前提下，有效提高泽贝克系数，提高材料的电性能。最高的热电优值是通过掺杂Eu形成位错软化晶格降低材料热导率实现的，其热电优值的峰值可以达到2.6；另外，通过复合SrTe，其热电优值同样可以达到2.5。相比较P型PbTe热电材料，N型PbTe的热电优值较低。为使P型和N型两种热电材料组合形成性能更好的热电模块，需要提高N型PbTe的热电优值。

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。本发明的一个目的在于提出稳定性好、功率因子高、热电优值高的N型PbTe基多晶热电材料。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种N型PbTe基多晶热电材料，包括：硫元素和碘元素掺杂的PbTe基体；以及，单质铅，所述单质铅与所述PbTe基体中的铅的摩尔比为(0.01～0.05)：1。该热电材料中，硫元素和碘元素取代部分的Te，单质铅位于PbTe基体的铅空位中，其中掺杂的硫元素可以降低热电材料的晶格热导，掺杂的碘元素可以平衡电导率和泽贝克系数之间的平衡关系从而获得较高的功率因子，控制铅单质为上述含量可以达到降低晶格热导同时提高功率因子的效果。该N型PbTe基多晶热电材料在400-850K的温度范围内具有很好的稳定性和优异的热电性能，例如，该热电材料的功率因子可高达29μW/(cmK²)，热电优值在800K时可高达1.6，在400-800K之间的平均热电优值可高达1.2，与P型PbTe基多晶热电材料的高热电优值区间相符合，从而使得该N型PbTe基多晶热电材料与P型PbTe热电材料组合形成的热电模块的性能更好。

另外，根据本发明上述实施例的N型PbTe基多晶热电材料还可以具有如下附加的技术特征：

根据本发明的实施例，所述热电材料的通式为：PbTe_0.998-xS_xI_0.002-y％Pb，其中，0.02≤x≤0.08，1≤y≤5。