浙大half-Heusler高性能热电材料取得最高热电优值
知社学术圈
海归学者发起的公益学术平台
分享信息，整合资源
交流学术，偶尔风月
浙江大学研发P型半哈斯勒 (half-Heusler)高温热电材料，获重要进展。所开发的FeNb1-xHfxSb合金的热电优值在1200K高达1.5，原型器件的功率密度达2.2W/cm^2, 转换效率可达12%。这一最新成果刚刚发表于于Nature Communications (6, 8144, 2015), 点击“阅读原文”可以获取。
当今世界所产生的能量中，大约有三分之二是以废热的形式释放。因此，合理高效回收利用这些“废热”，对于节能环保以及人类的可持续发展有着重要的意义。固体热电转换技术是一种能够直接进行热能与电能可逆转换的绿色能源技术，提高热电材料的转换效率对于推动该技术在余热废热发电等领域的应用至关重要，也一直是该领域的研究核心。
和传统热机过程类似，热电转换效率除与热电材料综合性能参数zT正相关以外，还依赖于卡诺效率，及热源温度与环境温度的差。因此，获得材料高zT值的同时提高其使用温度，是提高热电转换效率的重要途径。近二十年来，高效热电材料的开发受到越来越多的关注，但主要集中于中低温区的碲化铋、方钴矿及硅化物热电材料。新开发的Yb14MnSb11、La3Te4等高温材料存在力学性能和稳定性差等缺点，而已应用于航空航天飞行器温差发电的传统硅锗热电合金，因性能较差和锗价格昂贵，难以大规模商业化应用。
作为一种新型的高温热电材料（1000K以上），半哈斯勒化合物具有组成元素价格适中、热稳定性和机械性能优良等优点，在高温余热废热发电方面有重要应用前景。目前，国内外多个课题组的研究结果均表明N型ZrNiSn基半哈斯勒合金热电优值zT在1000K时可达1.0以上，但开发组成热电器件所需的与之相匹配的高效P型材料仍然是一个巨大的挑战。
浙江大学材料学院赵新兵教授和朱铁军教授课题组一直致力于开发高性能的半哈斯勒热电材料并探索该材料体系独特的电热输运性质。他们近来通过能带结构计算发现，Fe(V,Nb)Sb基半哈斯勒合金的价带存在多简并能谷特征，有高热电优值的潜力。实验证明高含量Ti掺杂的P型Fe(V0.6Nb0.4)1-xTixSb固溶体的热电优值zT在900K达到0.8(Adv. Energy Mater. 4,1600400, 2014)。进一步分析认为低的载流子迁移率是制约该体系获得更高热电优值的主要原因。鉴于能带计算表明FeNbSb的价带有效质量低于FeVSb，同时FeNbSb具有更大的禁带宽度。他们实验上通过提高Fe(V,Nb)Sb固溶体中的Nb含量降低价带有效质量，从而提高载流子迁移率并抑制少子激发，最终发现P型FeNb1-xTixSb化合物的zT值在1100K时高达1.1 (Energy Environ. Sci. 8, 216, 2015)。
P型FeNbSb是典型的重带热电材料，与传统轻带热电材料有明显不同的特点：大的态密度有效质量、高的优化载流子浓度以及高的优化掺杂量等（图示）。最近他们通过选择重元素Hf掺杂，实现了FeNbSb电学性能和热导率的解耦及热电性能的协同优化，使得其热电优值显著改善，在1200K时高达1.5 (Nat. Commun. 6, 8144, 2015)，这是目前半哈斯勒热电材料获得的最高值，也显著优于目前已知的其他典型高温热电材料。同时他们发现，电声散射对该体系的热导率降低也具有显著的作用。本项研究工作对于重带热电材料的开发和性能优化提供了有效思路和途径。
该课题组基于自己开发的高性能P型FeNb1-xHfxSb以及N型ZrNiSn基化合物，他们与中科院上海硅酸盐研究所陈立东研究员课题组合作设计组装了8×8原型高温热电模块。实验测试表明，该模块的转换效率在655K温差下约为6.2%，功率密度高达2.2W/cm2。进一步提高温差以及降低界面热阻，热电转换效率可达12%以上。这一研究成果对于half-Heusler热电材料作为高温功率发电应用有着重要的推动作用。
喝茶聊天心有灵犀，钻研切磋触类旁通
回复“150521”，还可阅读“如何导电又绝热? 上海硅酸盐所热电材料取得突破”；回复“目录”，浏览知社更多精华作品。长按二维码识别，可以关注/进入公众号进行回复。