[發明專利]一種具有高熱電性能的碲化鍺基熱電材料

有效

• 申請號: 202011571926.8
• 申請日: 2020-12-27
• 公開（公告）號: CN112661122B
• 公開（公告）日: 2022-11-18
• 發明（設計）人: 裴艷中;李文;卜中林
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: C01B19/00
• 分類號: C01B19/00;H01L35/16
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 劉燕武

本發明涉及一種具有高熱電性能的新型碲化鍺基熱電材料及其制備方法，其化學表達式為(Ge_1?xCu_2xTe)_1?y(PbSe)_y，其中，x＝0.02,0≤y≤0.25；制備方法是以金屬單質為原料，按化學計量比進行配料，通過真空封裝、高溫熔融、退火熱處理、淬火得到鑄錠，將鑄錠研磨成粉后真空熱壓得到片狀材料即為目標組分的新型碲化鍺基熱電材料。與現有技術相比，本發明的熱電材料創造了zT峰值和平均zT的新紀錄(其峰值zT在600?800K達到2.5，工作溫度平均zT大于1.5)，是目前GeTe中熱電性能最優的材料高于其他已知p型熱電材料；揭示了在GeTe中通過缺陷調控，實現了載流子濃度的優化和晶格熱導率的降低，獲得了具有記錄性的高熱電性能。

技術領域

本發明屬于熱電材料技術領域，涉及一種具有高熱電性能的新型碲化鍺基熱電材料及其制備方法。

背景技術

熱電半導體材料是一種基于澤貝克效應能夠將工業廢熱直接轉化為電能的零排放、無傳動部件的新型清潔能源材料，普遍被認為是一種生態友好、可持續的能源危機有效解決方案。熱電半導體材料目前的相對轉換效率較低，限制熱電器件的大規模應用，通常可以用材料的本征性能，無量綱熱電優值zT來衡量熱電材料的轉化效率，zT＝S²T/ρκ，其中：T為絕對溫度，S是澤貝克系數，ρ是電阻率，κ是熱導率，由電子熱導率κ_E和晶格熱導率κ_L兩部分組成。平均熱電優值zT較低是無法實現熱電材料器件大規模使用的限制因素。

實現zT的最大化需要解耦澤貝克系數S、電阻率ρ、電子熱導率κ_E三個重要參數，因此需要通過調控載流子濃度使得澤貝克系數S、電阻率ρ、電子熱導率κ_E三種參數之間達到最優化，故而優化載流子濃度是提升熱電性能最基本也是最有效的一種前提方法。電性能最優時所需要的載流子濃度具有溫度和能帶結構依賴性，一般載流子濃度調控手段是通過異價元素摻雜來改變電子或者空位濃度。本征碲化鍺由于熱力學穩定性導致陰陽離子失配，其本征載流子濃度遠高于優化載流子濃度范圍，因此，通過化學摻雜從調控載流子濃度并達到優化水平相對困難。

中國專利ZL201710827678.0公開了一種合金熱電半導體材料，其化學式為(GeTe)_1-x(PbSe)_x，其中，0＜x≤0.4，其通過與同主族材料PbSe形成固溶體，增加陽離子，減小陰離子的平均尺寸的方法來載流子濃度優化，在一定程度上提升了熱電優值等熱電性能，但是，該材料的熱電性能仍有一定的提升空間。

發明內容

本發明的目的就是為了提供一種具有高熱電性能的新型碲化鍺基熱電材料及其制備方法，以實現GeTe基熱電材料的性能突破。

本發明利用Cu₂Te和PbSe固溶對載流子濃度優化的協同作用，實現了GeTe載流子濃度大范圍調控，鑒于微量Cu2Te對GeTe載流子濃度的高效優化作用，實現了較高的載流子遷移率，PbSe固溶實現了引入大量點缺陷，聲速下降，增強了聲子散射和化學鍵軟化，實現了GeTe基熱電材料的性能突破。在PbSe固溶含量10％到20％范圍內均實現較高熱電性能，在溫區600-800K范圍內峰值zT2，工作溫度內300-800K的平均zT1.5，寬成分區間能夠提高工業生產的容錯率，利于批量生產。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

本發明的技術方案之一提供了一種具有高熱電性能的新型碲化鍺基熱電材料，其化學式為(Ge_1-xCu_2xTe)_1-y(PbSe)_y，其中，x＝0.02，0≤y≤0.25。

進一步的，x＝0.02，y＝0.1～0.2，y在這個范圍材料具有較優的電性能和較低的晶格熱導率。