碲化铋基热电材料的载流子浓度调控与热电性能优化

来源 :哈尔滨工业大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:paradoxfxx
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碲化铋基热电材料因其在室温附近优异的热电性能成为最具应用潜力的低温制冷材料。但是其带隙较窄,容易过早的出现本征激发,导致材料ZT值随着温度上升急剧下降,限制了其在低温温差发电领域的应用。本文通过载流子浓度的调控,推迟了碲化铋基材料本征激发的产生,在提高材料ZT值得同时,拓展了材料的使用温度区间。在常用的p型Bi0.4Sb1.6Te3中通过Cu-In共掺,增大了样品的载流子浓度,本征激发出现的温度向后推迟,使得材料的功率因子在整个温度范围内都有了很大提升。此外,因为掺杂元素与基体元素原子之间和尺寸的差异,会在晶格内引入大量点缺陷,声子的散射,降低材料的κL。最终,在30℃-250℃区间获得1.19的高ZTave,相比未掺杂样品提升了10%。在Bi0.4Sb1.6Te3材料中掺杂MgB2化合物,结果表明引入的MgB2形成受主掺杂增大材料空穴载流子浓度,延缓本征激发过早的出现,优化了材料的电输运行为。此外,MgB2中的Mg原子与Sb/Bi原子的质量和原子尺寸差异会在基体的局部出现晶格畸变,同时析出B的第二相,共同降低材料的晶格热导率,最终,Bi0.4Sb1.595Te3/0.005(MgB2)合金在整个温区区间获得最大ZTave为1.0,相比未掺杂样品提高了21%。在n型Bi2Te3额外添加Te,过量的Te起到了施主掺杂效果,增大了材料的载流子浓度,使得材料的功率因子在测试温度区间得到很大提升。此外过量的Te在n型Bi2Te3产生了阴离子反位缺陷0)4)·以及Te的第二相,共同降低材料晶格热导率,使得Bi2Te3+0.3wt%Te的样品在118℃获得最大ZT值为0.78,在整个温度区间获得最大ZTave为0.67,相比未掺杂样品有大幅提高。
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