论文部分内容阅读
随工业化进程逐步加快,人们在享受生活便利的同时,也面临着日益严重的能源危机和环境问题,开发新型能源材料备受重视。热电材料可以实现热能和电能的直接转化,是一类很有应用前景的能源转化材料。PbTe基热电材料有比较长的研究历史,已经在航空航天、军事等领域广泛应用;而SnSe作为一种新型热电材料,自被发现以来一直是研究的焦点。在这两种材料的制备过程中引入压力调节,能够有效改变反应平衡,缩短反应时间,优化载流子浓度。本文利用高压合成手段分别制备PbTe和SnSe热电材料,并研究了它们的热电性能。探索了纯相PbTe的高压合成工艺,分析测试了不同压力下合成的纯相PbTe的热电性能。研究发现,当铅碲比例为1:1.2,且合成温度不低于1073 K时,可在高压下合成纯相PbTe。高压合成的纯相PbTe样品热电性能都不高,例如2 GPa压力下合成的纯相PbTe样品,ZT值在420 K不到0.2,这是由于样品未经掺杂,载流子浓度低导致电输运性能较差所致。采用高压合成方法结合放电等离子烧结制备了Na掺杂的PbTe样品,分析研究了样品的结构、成分、显微结构及热电性能。高压的实施有效提高了Na元素在PbTe材料中的固溶度,极大提升了载流子浓度。Na0.03Pb0.97Te(原料配比)的实际Na掺杂量为0.27,载流子浓度为3.2×10200 cm-3,电输运性能明显改善。掺杂Na原子引入大量点缺陷,增强了对热输运声子的散射;显微结构分析表明,高压下合成的Na0.03Pb0.97Te样品中存在大量位错和晶格扭曲,增强了对中频声子的散射,进一步降低了材料的晶格热导率。该样品的晶格热导率在700 K以上低至0.67 W/mK。高压合成的Na0.03Pb0.97Te样品,ZT值在740 K提高至1.7。采用高压合成方法结合放电等离子烧结制备了Na掺杂的PbTe-SrTe样品,对样品的结构、成分及热电性能进行了分析。Na0.03Sr0.04Pb0.93Te样品的载流子浓度为2.2×10200 cm-3,高于常压下制备的类似样品。Na在PbTe-SrTe材料中存在明显的富集区,其在高温下扩散加强,使功率因子保持平稳不衰减,Na0.03Sr0.04Pb0.93Te样品的功率因子在620 K时最高为3100μWm-1K-2。Na固溶度的提高带来更多的点缺陷;样品中还形成了蜂窝状的特殊结构。这些都能够有效地散射声子,降低材料的晶格热导率,Na0.03Sr0.04Pb0.93Te样品在770 K时晶格热导率低至0.56 W/mK。协调改善的电、热输运性质使该样品的ZT值在870 K时达到了2.1。探索了多晶SnSe热电材料的高压合成工艺,采用高压合成法结合放电等离子烧结制备了Na掺杂的多晶SnSe块材,对样品的结构、成分及热电性能进行了研究,并讨论了取向性对样品热电性能的关联。Na掺杂明显改善了样品的电输运性能,掺杂引入的点缺陷也使晶格热导率显著降低,Na0.02Sn0.98Se样品的ZT值在798 K可达0.87,平均ZT值也达到了0.31。SPS致密化的多晶NaxSn1-xSe块材取向性明显,在垂直于SPS压力方向展现了更好的热电性能。