合肥研究院在提升多晶SnSe基热电材料性能方面取得进展
近期，中国科学院合肥物质科学研究院固体物理研究所秦晓英课题组科研人员在提升多晶SnSe基热电材料性能方面取得新突破。
热电材料是实现热能和电能直接相互转换的新型能源材料，可利用传统制造业(如汽车、钢铁、石化等)排放大量的工业余热发电，对节能减排、保护环境有重要意义。用热电材料制造的温差发电和制冷装置具有体积小、无需传动部件、不排放污染物质、无磨损、可靠性高等诸多突出优点，在温差发电和便携式制冷等领域有重要应用前景。目前，热电材料较低的热电效率，仍是制约热电器件大规模应用的主要因素。秦晓英课题组一直致力于研发高性能SnSe基多晶热电材料，近期，该课题组科研人员在提升多晶SnSe基热电材料性能方面又取得新突破。
为了优化SnSe多晶材料的电输运性能，课题组李地等研究人员首先制备出多晶SnSe样品，然后将适当比例的炭黑纳米颗粒作为第二相引入到SnSe基体材料中。在300-910K的温度范围内研究了复合物样品的热电性能。研究表明，将炭黑纳米颗粒加入到SnSe基体可提高基体的电导率，进而增强复合体系的功率因子，最终在炭黑体积含量为2.5%的复合体系中实现1.21的最大ZT值。相关结果以Enhanced thermoelectric performance of SnSe based composites with carbon black nanoinclusions 为题发表在国际期刊《应用物理快报》（Applied Physics Letters 109 , 173902(2016)）上。
课题组副研究员张建与南京理工大学副教授唐国栋、北京航空航天大学教授赵立东等，通过采用一种简单易操作、低成本的低温化学合成法，结合相分离和微结构调控等技术协调优化材料的电声输运性能，增强材料功率因子的同时使材料的热导率明显下降，极大地提高了SnSe多晶热电材料性能。研究表明，通过降低材料的合成温度结合快速非平衡烧结方法降低材料的固溶度，产生析出相，得到SnSe-PbSe相分离材料。由于Pb掺杂提高了载流子(空穴)浓度，且PbSe相对于SnSe具有更窄带隙和更高电导率，因此PbSe第二相有效提高了SnSe基体相的电导率和功率因子；另一方面，通过分层构架设计材料的微观结构，调控材料的声子输运过程，大幅度降低了材料的热导率。基于以上协同作用，共同调控优化材料的电声输运性能，实现了热电材料性能的新突破，使材料的热电优值ZT提升到1.7，打破了现有SnSe块体多晶材料报道的最高热电优值记录。这一研究对推动热电材料的研发与应用，进而实现产业化具有重要意义。相关研究成果以Realizing high figure of merit in phase-separated polycrystalline Sn1-xPbxSe 为题发表在国际期刊《美国化学会志》（Journal of The American Chemical Society 138, 13647 (2016)上。
以上工作得到国家自然科学基金、安徽省自然科学基金以及中科院固体所所长基金的支持。
图1. 不同体积含量炭黑与SnSe复合体系的XRD图谱及热电性能随温度变化曲线
图2. 复合材料的透射电子背散射衍射(T-EBSD)相图。表明复合材料由PbSe立方相和正交SnSe相构成。
图3. SnSe-PbSe复合材料分别沿垂直于和平行于压力方向的热电性能，平行压力方向的ZT值达到1.7。
