[发明专利]一种SnTe基热电材料及其制备方法

说明书

本发明公开一种SnTe基热电材料及其制备方法。所述SnTe基热电材料的化学式为Sn_0.7‑2xAg_xBi_xPb_0.3Te；其中，x＝0～0.05。所述方法包括如下步骤：按照Sn_0.7‑2xAg_xBi_xPb_0.3Te的化学计量比将元素Sn、Ag、Bi、Pb和Te的单质粉末封装在真空石英管中，摇匀，将真空石英管放入吊式炉中热处理，冷却；取出石英管中的块体，研磨成粉获得Sn_0.7‑2xAg_xBi_xPb_0.3Te粉末；将所述Sn_0.7‑2xAg_xBi_xPb_0.3Te粉末热压成块材，热压时的压强为55～65MPa，温度为450～550℃，热压时间为20～50min。本发明Ag/Bi共掺杂显著提升了SnTe基热电材料的塞贝克系数S，功率因子PF，降低了材料的晶格热导率κ_L，进而显著提升了材料的无量纲热电优值ZT；Ag/Bi共掺杂显著优化了材料的热电性能。

技术领域

本发明涉及热电材料领域，特别涉及一种SnTe基热电材料及其制备方法。

背景技术

能源的生产和利用是全社会最重要的活动之一。化石能源(煤炭、石油和天然气)目前在满足全球能源需求方面发挥着重要作用，到2040年仍将是推动经济增长的主要能源。目前大约90％的电力供应都依赖化石能源，然而，化石能源是一种不可再生能源，化石能源燃烧时，大约有70％的能量以废热的形式被浪费掉，因此通过利用废热来提高化石能源的能量利用率能够产生巨大的环境和经济效益。热电材料能够实现热能和电能的直接转换，且在能量转换过程中几乎不产生任何环境污染，在过去的几十年中引起了科研人员极大的研究兴趣。目前，热电材料已经在许多领域得到应用，例如火力发电厂、汽车工业、太阳能系统、可植入或可穿戴设备以及深空探测器。热电转换的能量转换效率取决于一个无量纲量，叫做材料的无量纲热电优值ZT。无量纲热电优值ZT值越高表明材料的热电性能越好。因此，寻找具有高ZT值的材料，并将其应用于热电发电机(thermoelectric generators，TEG)或热电冷却器(thermoelectric coolers，TECs)等器件成为了过去几十年中热电材料领域的研究热点。几十年前，可用的热电材料的无量纲热电优值ZT的基准值约为1。尽管如此，各种新颖的调控策略的应用使得无量纲热电优值ZT达到2以上甚至更高成为可能。

碲化铅(PbTe)作为最好的中温热电材料之一，已经达到了相对较高的ZT(2.0)。但铅的毒性限制了其广泛的实际应用。由于Sn和Pb处于同一主族，且SnTe具有与PbTe相似的晶体和能带结构，因此SnTe作为PbTe的替代品引起了科研人员极大的研究兴趣。然而，SnTe的热电性能不如PbTe，主要原因有以下几点：(1)较小的直接带隙导致了较强的双极效应；(2)轻价带和重价带之间存在较大的能量分离，导致塞贝克系数降低；(3)SnTe中大量的固有Sn空位导致载流子浓度过高，进而导致电子热导率较高，塞贝克系数较低；(4)Sn相对于Pb原子质量更小，导致晶格热导率更高。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种SnTe基热电材料及其制备方法，通过Ag/Bi共掺杂改善SnTe基热电材料的热电性能，为相关热电材料的研发提供借鉴。

本发明采用以下技术方案：

本发明提供了一种SnTe基热电材料，具有式(1)所示的化学式：

Sn_0.7-2xAg_xBi_xPb_0.3Te式(1)

其中，x＝0～0.05。例如x＝0、0.01、0.02、0.03、0.04或0.05。