图 （A）痕量元素栅格设计策略示意图：通过梯度引入痕量Cr，连续实现p型和n型高性能PbSe，成分匹配且Seebeck系数匹配；（B）全PbSe基热电制冷器件示意图：采用Ni基合金作为接触层，优化接触材料，降低接触电阻；（C）全PbSe基热电制冷器件性能：相较于商用Bi₂Te₃器件(Natl. Sci. Rev. 12, nwae448 (2024)) 和PbSe搭配商用Bi₂Te₃的异质器件 (J. Am. Chem. Soc. 147, 15827–15837 (2025)) ，具有更大的制冷量密度和更低的功耗

　　在国家自然科学基金青年A类延续项目（批准号：52525101）和国家自然科学基金青年学生基础研究项目（博士研究生）（批准号：524B2004）等项目的资助下，北京航空航天大学赵立东教授团队在热电能源材料研究领域取得新进展。相关研究成果以“痕量铬元素掺杂实现全PbSe热电制冷（Ultralow chromium doping enables all-PbSe thermoelectric cooling）”为题，于2026年6月5日在《Science》上发表。论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.aeg8963。

　　热电制冷技术基于珀尔帖效应（Peltier effect），通电后可直接实现热量转移与温度调控，具备无机械运动部件、运行无噪声、响应速度快、可微型化、使用寿命长等技术特点。该技术可应用于航空航天领域，对芯片、探测器、传感器等精密电子元件进行精准温度控制，避免元件因过热出现性能下降或故障。与传统压缩机制冷方式相比，热电制冷更适配微型化、高精度温控场景。当前商用热电制冷器件多采用含碲（Te）的碲化铋（Bi₂Te₃）材料体系。碲元素地壳丰度约为0.001 ppm，资源储量稀缺，对应材料成本较高；同时碲化铋材料机械脆性大、界面稳定性有限，制约了该类器件的规模化应用。

　　为开发无碲制冷材料体系，硒化铅（PbSe）凭借本征立方相结构带来的良好力学性能，以及硒元素更高的地壳丰度（Se地壳含量约0.05 ppm，约为碲的50倍），成为该领域的研究候选方向。2024年，该研究团队曾在《科学》期刊报道室温n型PbSe制冷材料的相关研究结果（Science 383 (2024) 1204-1209）。由于缺少性能匹配的p型PbSe材料，构建全PbSe基同质热电制冷器件是该领域待解决的技术问题。针对这一问题，研究团队采用“痕量元素栅格设计”的研究思路开展工作。研究团队在PbSe基体中梯度引入极低含量的铬（Cr）元素，在单一PbSe材料体系中制备出n型与p型热电材料。该设计可精准调控两类晶体的载流子传输，实现n型与p型材料的成分及塞贝克（Seebeck）系数高度匹配，为器件制备与稳定运行提供了材料基础。基于上述材料研究结果，研究团队进一步开展器件设计与优化工作。采用全PbSe同质材料制备制冷器件，可缓解异质器件热膨胀系数不匹配的问题，提升器件实际服役时的尺寸稳定性。研究团队对材料界面进行工程化优化，通过磁控溅射工艺制备镍基合金阻挡层，降低了器件接触电阻，减少了器件运行过程中的额外焦耳热损耗。通过材料设计与器件工艺的协同优化，研究团队制备出超薄型全PbSe基热电制冷器件。测试结果显示，该全PbSe基热电制冷器件室温下制冷功率密度约为6 W cm^-2，最大制冷系数（COP）约为21；热端温度为363 K时，最大制冷温差约为53 K。此外，PbSe本征为立方晶体结构，其断裂韧性、抗压强度均高于商用碲化铋材料，器件兼具良好的制冷性能与机械可靠性。

　　该研究结果显示出PbSe作为无碲热电制冷材料的应用前景。未来，此类超薄型制冷器件可能应用于航空航天等对空间占用、功耗控制要求较高的场景。