【摘 要】
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热电转换技术可实现低品质热源的回收利用和热电制冷而成为解决能源和环境问题的可行方案,在绿色清洁能源领域发挥着重要作用。与复合热电材料相比,VI族元素半导体Te因其无沉淀、分解或挥发和易于纯化的独特优势而被认为是具有潜力的热电材料。其固有的嵌套价带和各向异性准一维结构使之表现出优异的电学和热学性能,并且可以通过元素掺杂调节载流子浓度和修饰晶界发挥能量过滤效应进一步改善其性能。本文以单质Te为研究对象
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热电转换技术可实现低品质热源的回收利用和热电制冷而成为解决能源和环境问题的可行方案,在绿色清洁能源领域发挥着重要作用。与复合热电材料相比,VI族元素半导体Te因其无沉淀、分解或挥发和易于纯化的独特优势而被认为是具有潜力的热电材料。其固有的嵌套价带和各向异性准一维结构使之表现出优异的电学和热学性能,并且可以通过元素掺杂调节载流子浓度和修饰晶界发挥能量过滤效应进一步改善其性能。本文以单质Te为研究对象,基于掺杂改性原理,采用热压法制备了Sb元素掺杂Te基热电材料,利用载流子浓度优化对Te的热电性能进行调控,探究了Te具有优异热电性能的原因;同时,基于能带工程理论,采用化学镀和放电等离子烧结(SPS)技术构建了Ag/Te和Ni/Te异质结势垒复合结构,利用能量过滤效应优化材料的热电性能;并通过对其掺杂和界面势垒的复合效应进行研究,得到如下研究结果:Te电子结构中的孤对电子是其具有高的Seebeck系数和低热导率的内在原因,该特点为寻找优异的热电材料提供了新思路;通过Sb掺杂可有效提高材料的载流子浓度,增大材料的电导率,实现其热电性能优化。在Te基体中构建异质结界面势垒可发挥能量过滤效应,实现Seebeck系数和电阻率的同步优化,在600K,Ag/Te和Ni/Te复合热电材料的功率因子分别提高60%和16%;Ag/Te和Ni/Te界面势垒可实现热导率的进一步降低,分别降低了24%和20%,使其zT值分别提高124%和57.3%。Ni/Te界面势垒和Sb元素掺杂结合可以协同改善材料的热电性能。Ni/Te界面势垒主要发挥通过能量过滤效应提高Seebeck系数的作用,Sb掺杂主要发挥调节载流子浓度降低电阻率的作用,通过二者的协同作用,功率因子得到大幅度提高,18wt%Ni/Sb0.003Te0.997样品的zT值在550K达到0.96,比Sb0.003Te0.997样品提高了50%左右。
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