热电材料可以将工业废热直接转换为电能,是我国实现“碳达峰、碳中和”远景目标的重点发展领域之一。大量的工业余热都是以200-400℃低品位热的形式排放到环境中,故中温热电材料的性能提升研究和余热发电器件的设计具有重大社会和经济意义。Pb Te基热电材料在中温区段表现出良好的热电性能,其中p型材料的性能已经得到显著地提升,但是n型Pb Te的热电性能发展相对缓慢,制约了热电器件的开发和应用。本文重点研究n型Pb Te基材料的性能优化策略以及工业余热收集与发电装置的搭建。热电材料与器件的能量转换效率主要由材料的无量纲优值z T和卡诺效率决定。z T值的优化依赖于对电子与声子输运过程的调控,其中电学性能调控重点在于优化材料的载流子浓度,其随着温度指数增加,故大温度范围内电性能的优化需要通过载流子的动态调控来实现。声学性能调控重点在于引入不同尺度的晶体缺陷来阻碍声子的传输,这包括了晶体缺陷的结构和成分两方面的影响因素。本文利用Cu和Ag在Pb Te基材料中的溶解度随温度升高而增加这一特点,在n-Pb Te中成功实现了宽温域范围内载流子浓度的优化和热电性能的提升。本工作还设计搭建了一台简易的工业余热发电设备,测试了实际工况中的发电能力,并根据器件在测试工作中所展现出的问题提出优化建议和展望。主要的研究成果如下:1.采用Ag-Sb共掺杂制备Pb1-xSbxTe-0.5at%Ag2Te。在Ag元素动态调节载流子浓度的同时,通过Sb掺杂来进一步优化全温区载流子,弥补单Ag掺杂效率不高的缺点。Ag与Sb双掺杂在基体中引入大量Ag富集的位错、纳米颗粒等多散射中心降低热导率。最终获得了峰值z T=1.48和315-807 K区间平均z T=1.06的优异热电性能。2.采用Cu-Bi共掺杂制备Pb0.999Bi0.001Te-xat%Cu2Te。由于Bi元素在Pb Te中的掺杂效率较高,且过量替换Pb位掺杂会显著降低迁移率,仅掺入0.001的Bi调整基础载流子浓度。在此基础上,Cu间隙原子的引入可以同时动态优化载流子浓度和提升迁移率。过量的Cu在基体中产生大量纳米析出物和Cu2Te相,能够散射宽频范围内的声子。综合作用效果致使最高z T达到1.73,在317-817K温度区间平均z T达到1.32,为目前n-Pb Te报道的最高值。3.热电器件在实际工况中的应用测试表明器件在隔热棉、石墨纸、导热硅脂以及鳍片式散热板的协同作用下,能够保持稳定的温差,但存在整个器件平面内温度分布不均匀的现象。迎合热源形状的器件设计有望获得更高的转换效率。