国家自然科学基金委工程与材料科学部
当前位置:网站首页>最新消息

北京航空航天大学在热电能源材料研究领域取得重要进展

  2015年11月26日,北京航空航天大学材料科学与工程学院教授、北航国际交叉科学研究院热电能源材料研究室主任赵立东教授等在Science发表题为“Ultra-high power factor and thermoelectric performance in hole doped single crystal SnSe (超高功率因子和热电性能的空穴掺杂硒化锡单晶)”的研究论文(论文链接:http://www.sciencemag.org/content/early/2015/11/24/science.aad3749.abstract),提出应用硒化锡 (SnSe) 材料独有的特殊电子能带结构和多谷效应,可以将SnSe在宽温区范围内的热电性能大幅提高。此结果意味着开发一种同时具备性能优异、储量丰富而且环境友好的热电能源温差发电材料已成为可能。

  SnSe是一种很有发展潜力的块体热电材料,但还存在一个关键问题亟待解决: SnSe材料在300-773K温度范围内热点优值ZT很低,这一点严重限制了SnSe在这一重要温度区间的使用。针对该问题,赵立东和合作者们利用SnSe的多带特点,采用重掺杂移动费米能级成功调控了SnSe的导电性和温差电动势,从而在中低温区使得其热电性能得到大幅提升。其内在机理来源于SnSe非常复杂的价带结构,拥有不同有效质量和迁移率的价带之间能隙很小,当费米能级进入和接近多个价带时可实现多个价带同时参与电传输。其原理可以形象地解释为: 一条高速公路(对应单一价带)上有无数拥挤的车辆,因此车辆行驶的非常缓慢;但如果把同样数量的车辆分配到多条并行的公路后,车不但行驶得更快而且在单位路面上通过的车也会增多。这一调控费米能级的方法使得SnSe的导电性和温差电动势都获得了极大提高,从而使SnSe材料在中低温区的ZT值得以大幅提升。如果选取300K和773K分别为低温端和高温端,SnSe作为热电器件的p型材料搭配同样性能的n型材料,可以产生16.7 % 的理论发电效率。

 

SnSe中的复杂价带结构及其载流子“多通道”协同输运机理

 

  北京航空航天大学为该工作的第一完成单位(第一作者和通讯作者)。美国西北大学、南方科技大学、美国密西根大学和美国加州理工学院是该项工作的合作单位。

(苗鸿雁 陈克新 郑雁军
 
"十二五"工材学部优先发展领域
光电功能材料
能源材料
环境材料
高性能结构材料
材料科学基础理论、制备与表征技术
资源高效开采与环境的相互作用规律
冶金与材料制备过程中的界面科学
复杂机电系统的功能原理与集成科学
高性能零件/构件的精密制造
化石能源高效清洁利用
二氧化碳捕获与封存(CCS)
智能电网基础
城乡建筑节能设计原理与技术体系
环境变迁中的城市科学
海洋工程基础理论与前沿技术
工程结构的全寿命设计与控制