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热电材料作为一种新型清洁的可再生能源材料,能够实现热能与电能的直接相互转化,具有无污染、无损耗、可靠性高等优异特点,有望大幅提高能源利用率、缓解环境污染。其中碲化铋基化合物是目前室温附近性能最为优异稳定的热电材料,其中区熔碲化铋在热电制冷以及汽车尾气余热发电等领域已经取得了一定的应用。但是,中高温区热电性能的显著劣化以及性能的不稳定性严重制约了其进一步大规模商业化应用,因此,对于该体系,性能的提升与稳定性的改善显得尤为迫切与重要。 本论文以p型BiSbTe基化合物为研究对象,针对其热电性能提升的核心主题,从缺陷调控和界面工程为主要着手点,综合传统淬火法与熔体旋甩法两种制备工艺,系统研究了过量Te复合、Zn/Cd引入对于BiSbTe样品缺陷结构、物相组成以及热电性能的影响规律,主要内容与结论如下: MS过程使Te均匀分布于BiSbTe晶界,烧结过程中Te的融化挤出能够促进晶粒的滑移与定向排布提升样品的取向性,同时诱导产生高浓度的位错阵列。取向性增强使得样品垂直方向电性能提升,25wt%Te复合样品垂直方向室温功率因子PF=4.2mWm-1K-2,较平行烧结压力方向提升了30%,较未复合Te样提升了15%。由于晶粒的定向排列,声子在平行烧结压力方向传输受到的晶界散射明显强于垂直方向,25wt%Te复合样品垂直方向最低热导率κ⊥=1.03Wm-1K-1,远高于文献值0.65Wm-1K-1,而平行烧结压力方向的最低热导率κ‖=0.74Wm-1K-1,接近文献值。本研究显示高浓度位错位阵列降低BiSbTe晶格热导率的作用并不显著,因此,25wt%Te复合样品在350K时ZTmax=1.24,远低于文献值1.86。 系统研究Zn-Sb/Bi-Te赝三元系统的相组成,实验与理论计算结果表明,Zn的引入趋向于形成ZnSb/Bi置换型缺陷与Te空位同时存在的的复合型缺陷。Te空位的产生促进Zn在基体中的固溶,同时也能促进少量的Sb/Bi占据Te格点,使样品的载流子浓度升高,电性能优化,其中名义ZnTe含量x=0.06样品室温功率因子可以达到4.45mWm-1K-2,较本征样品提升了20%。同时Zn可以引起晶格应力场波动,使样品的晶格热导率下降,最终x=0.06样品获得最低晶格热导率0.62Wm-1K-1,375K时最大ZT值可达1.20。通过熔体旋甩工艺进一步细化基体与第二相晶粒,一方面构建全尺度纳米结构,同时ZnTe的尺寸可以降低至其Kapitza半径,异质界面同样可以降低晶格热导率。其中名义ZnTe含量x=0.06样品的最低晶格热导率可以降低至0.35Wm-1K-1,接近非晶极限。名义ZnTe含量x=0.015样品373K时取得最大ZT值1.40,该样品重复制备反复测试以及523K热处理之后性能依旧稳定,并且没有取向性。将该材料作为热电单臂的p腿与区熔制备材料n腿相匹配制作热电器件,当测试温差为250K时,器件的最大输出功率为3.25W,最大转化效率为5.01%,相比于商业区熔器件分别提升了仅35%与40%。 系统研究Cd-Sb/Bi-Te赝三元系统的相组成,名义Cd掺杂与CdTe复合样品中Cd的固溶极限均为0.09左右。样品的载流子浓度均随着Cd含量的增加而大幅提升,对于Cd掺杂而言,Cd作为受主掺杂贡献载流子,但是对于CdTe复合形式,Cd置换Bi/Sb位与协同形成的Te空位并没有达到电中性的效果,Te空位同时促进Sb/BiTe反位缺陷形成,三者相互竞争的结果使载流子浓度提高。两组样品的晶格热导率均随Cd含量的增加而显著下降,在单带模型近似下,甚至可以接近0Wm-1K-1。由于功率因子的提升以及晶格热导率的下降,两组样品Cd含量x=0.01时均可于425K是取得1.15。样品平行烧结压力方向(00l)晶面取向因子为0.25,而垂直方向仅为0.02,Cd含量对于取向因子没有影响。当Cd含量较低时,虽然平行方向的功率因子较垂直方向更低,但是其晶格热导率下降的幅度更为明显,因此ZT值要高于垂直方向,425K时可以达到1.25。当Cd含量较高时,由于垂直方向载流子迁移率更高,其对声子的作用更强烈,因此热导率反而更低。通过熔体旋甩工艺进一步细化基体与第二相晶粒,增加晶界浓度并构建全尺度纳米结构,当Cd含量较低时,样品的晶格热导率相较于传统方法进一步降低,其中当x=0与x=0.01样品的室温晶格热导率分别为0.62Wm-1K-1和0.35Wm-1K-1,ZT值也略有提升,其中x=0.005样品于425K时取得最大ZT值1.30。基于传统法制备名义CdTe复合量x=0.06样品,我们通过改变Bi/Sb比与Te位Se固溶进行载流子浓度调控。当Bi含量x=0.70,Se含量x=0.03时,样品在523K时分别取得取得最高ZT值0.72和0.66。