SnSe多晶热电材料的Ag、Cu元素掺杂改性研究

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热电材料是一种可以直接将电和热两种形态能量相互转化的功能材料,可以实现热电发电和通电制冷,在清洁能源和制冷领域具有重要的应用前景。具有正交层状结构的SnSe单晶具有优异的热电性能,其毒性低、储量丰富,但单晶制备复杂,不适合规模生产,其多晶的研究引起了更大的关注,SnSe多晶的性能还过低,主要是由于其电阻率过高。本文对SnSe多晶热电材料进行Ag、Cu等元素掺杂改性研究,采用真空熔炼、液氮淬火以及SPS烧结等工艺制备了SnSe1+x、(SnSe)1-x(AgI)x、(SnSe)1-x(Ag2Se)x以及(SnSe)1-x(Cu2Se)x四个系列合金样品,研究掺杂元素对SnSe多晶材料在垂直压力及平行压力方向的电阻率、Seebeck系数、热导率及热电性能的影响。(1)对Se欠量及过量SnSe1+x(x=-0.13,-0.1,0,0.1,0.15)系列合金的研究表明:所有的合金均为正交结构的SnSe固溶体,存在明显的择优取向,未发现其他微量相,Se欠量时,合金具有N型半导体特性,载流子浓度随着Se含量的增加而减少,当x=0时,合金转变成P型半导体,Se过量时,合金保持P型半导体特性,其空穴载流子浓度随着Se含量的增加变化不大,无论是欠量还是过量,随着Se含量的增加,合金在两个方向上的电阻率和Seebeck系数增加,而热导率降低,使得SnSe多晶合金的热电优值得到提升。873 K时,x=0.15的样品在垂直压力方向获得最大ZT值为0.454,比理想化学配比SnSe的ZT值提高了46%。(2)对AgI掺杂(SnSe)1-x(AgI)x(x=0,0.01,0.02,0.03,0.04)系列合金的研究表明:在掺杂范围内,合金保持正交结构(空间群Pnma)的SnSe固溶体及P型半导体特性,以AgI形式掺杂有利于掺杂元素进入SnSe晶格,AgI掺杂增加了空穴载流子浓度,降低合金的电阻率,使其功率因子有较大提升,虽然合金的热导率有所上升,但总体上提高了材料的热电性能,虽然AgI掺杂在不同方向上对电阻率、Seebeck系数及热导率影响的程度不同,但其在两个方向上的的热电优值ZT相差不大,873 K时,x=0.03的合金样品在垂直压力方向获得最大ZT值0.570,比未掺杂样品ZT值提高了124%。(3)对Ag掺杂(SnSe)1-x(Ag2Se)x(x=0,0.001,0.003,0.005,0.01和0.02)系列合金的研究表明:较少的Ag掺杂(x<0.005)时,合金为SnSe固溶体,当x=0.005时,合金中出现了少量的Ag2Se第二相,表明Ag原子在SnSe中的固溶度小于0.5 at.%。当x=0.01时,合金中还出现了少量的AgSnSe2微量相。Ag掺杂SnSe时,以Ag+1离子替代Sn+2离子存在于SnSe的Sn位,增加了化合物空穴载流子浓度,导致电阻率降低,同时也导致其Seebeck系数的降低及热导率的上升,但总体上提高了材料的功率因子及其热电优值ZT。在两个方向上的的热电优值ZT相差不大,873 K时,x=0.005在垂直压力方向获得最大ZT值为0.882,比未掺杂样品的ZT值提高了195%。(4)对Cu掺杂(SnSe)1-x(Cu2Se)x(x=0,0.002,0.005,0.01,0.02和0.03)系列合金研究表明:所有掺杂合金均以正交结构(空间群Pnma)的SnSe为主相,Cu2Se4Sn为微量相并随着掺杂量的增加而逐渐增多,所有合金仍保持P型半导体特性。Cu少量掺杂增加了SnSe化合物的载流子浓度,导致电阻率减少,功率因子整体上提高,虽然合金的热导率也有所升高,但其热电优值得到提高。873 K时,x=0.005的样品在垂直压力方向获得最大ZT值0.812,比未掺杂样品提高了55%。
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