【摘 要】
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近年来,不断增长的能源消耗和日益严重的环境问题引起了广泛的关注,而热电材料由于能够实现热能与电能之间的直接转换迅速成为研究热点之一。通常,材料的热电性能以无量纲的热电优值(ZT=S~2σT/κ)来评价,其中S为Seebeck系数,σ为电导率,κ为热导率,T为热力学温度。ZT值越高,相应材料的热电转换效率也越大,目前大多数研究集中在如何优化其ZT值上,然而影响ZT值的三个参数相互耦合在一起,这给相关
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近年来,不断增长的能源消耗和日益严重的环境问题引起了广泛的关注,而热电材料由于能够实现热能与电能之间的直接转换迅速成为研究热点之一。通常,材料的热电性能以无量纲的热电优值(ZT=S~2σT/κ)来评价,其中S为Seebeck系数,σ为电导率,κ为热导率,T为热力学温度。ZT值越高,相应材料的热电转换效率也越大,目前大多数研究集中在如何优化其ZT值上,然而影响ZT值的三个参数相互耦合在一起,这给相关的研究工作带来了极大的挑战。目前,实验上,多晶Sn Se材料的热电优值已达到3.1,然而高纯度的原料与高成本的制备方法极大地限制了它的应用。因此,寻找性能良好、价格低廉、制备简单的热电材料仍是当前研究工作的重心之一。Cu2Se是一种典型的“电子晶体-声子液体”材料,在较大的温度范围内拥有较低的热导率和较高的ZT值,和其他高性能热电材料(例如Bi2Te3、Pb Te等)相比,Cu2Se具有制备原料相对廉价、环境友好和组成元素较为丰富的优点。本论文通过水热法和热压烧结制备CB4和CTi复合的Cu2Se、(Fe、Co、Ni)掺杂的Cu2Se两类体系,来优化其热电性能。(1)通过水热法和热压烧结制备了CB4复合Cu2Se系列样品。结果表明随着CB4含量的增加,样品的电导率迅速下降,Seebeck系数则不断增加,热导率下降。复合了0.5%CB4的样品取得最优的热电性能,其功率因子在测试温度范围内达到0.886 m W m-1K-2,热导率接近为0.59 Wm-1K-1。该样品在773K时实现了1.46的优化ZT值,比本征Cu2Se增长165%。(2)同样采用水热法和热压烧结制备了CTi复合Cu2Se系列样品。随着CTi含量的增加,样品的电导率迅速下降,Seebeck系数增加,功率因子有所下降。复合了2%CTi样品在773 K时的功率因子为0.734 m Wm-1K-2,最低热导率为0.58 Wm-1K-1。ZT值在773 K时为1.25,比本征Cu2Se增长130%。(3)(Fe、Co、Ni)掺杂Cu2Se系列样品通过水热法与热压烧结成功制备。掺杂(Fe、Co、Ni)的Cu2Se的样品,在XRD的峰位移动证明(Fe、Co、Ni)掺入了Cu2Se的晶格结构。在EDS图中可以看出,Cu1.88Fe0.04Se中在截面中有Fe元素富集处,有含Fe的第二相析出,在Cu1.96Ni0.03Se与Cu1.96Co0.03Se未观察到明显的第二相。掺杂Fe和Ni的部分均未使热电性能变得更好,Co掺杂的样品中Cu1.96Co0.03Se在773 K时,功率因子为0.999 m Wm-1K-2,热导率为1.53 Wm-1K-1,ZT值为0.67,较本征Cu2Se增长24%。
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