近日，工程热物理研究所林尚超副教授课题组在Chemical Engineering Journal上发表题为“Synergistic strategy via modulated energy filtering and hierarchical defects evolution for high performance GeTe thermoelectrics”的论文。该研究通过优化碳纤维掺杂浓度，实现了对能量过滤与缺陷演化效应的协同调控，制备的碲化锗（GeTe）基热电材料热电优值最大达到2.3（在773 K时），热电品质因子最大达到2.24，器件热电转换理论效率可达15%。博士研究生符舸和林尚超副教授为论文共同第一作者，林尚超副教授、赵长颖教授为共同通讯作者。
图一：（a）不同碳纤维掺杂浓度下热电优值ZT随温度的变化；（b）不同品质因子下ZT最大值与约化费米能级的关系；（c）该研究与其他相关报道ZT最大值对比；（d）理想条件或真实条件（考虑界面电阻与热阻）下单腿热电器件的理论热电转换效率
随着工业生产的发展，能源需求的不断增加使得不可再生资源日渐枯竭。此外，化石燃料的使用不可避免地带来环境污染和温室效应问题。如何获取并高效利用清洁可再生能源是亟需解决的问题。热电转换技术能实现热能与电能的直接转换，具有无机械运动部件、无噪声、尺寸小、易携带、污染小等优势。而热电材料作为热电转换技术的核心功能材料，其性能的优化受到广泛的关注。热电材料主要通过无量纲参数，热电优值（ZT）进行评价。GeTe基热电材料作为备受关注的中温区材料，其本征高载流子浓度和声子-电子间弱相互作用，导致其塞贝克系数低、电导率高、热导率高，限制了其作为热电材料的潜力。针对该瓶颈问题，本研究制备的GeTe基热电材料热电优值最大达到2.3，热电品质因子最大达到2.24，器件热电转换理论效率可达15%。在考虑界面电阻与界面热阻的真实条件下，器件理论效率也可达11%（图一）。
图二：不同碳纤维掺杂浓度下的GeTe基材热电材料电输运性质
由于碳纤维与GeTe基热电材料的功函数差异匹配，当两者接触时费米能级会趋于一致，从而使得能带在两者界面处发生弯曲，弯曲的能带成为阻碍载流子通过界面运输的势垒，形成能量过滤效应。该势垒的存在可以过滤掉向低温端聚集的低能量载流子，提高GeTe基材料低温端的空穴平均能量，从而显著提高塞贝克系数（图二）。研究通过对比不同碳纤维掺杂浓度样品的电输运性质，发现掺杂0.9 wt%碳纤维的Ge0.97Bi0.07Te样品的塞贝克系数最大达到230μVK-1，同时由于碳纤维掺杂引起费米能级的变化，掺杂后的样品载流子浓度进一步降低，最终热电功率因子最高达到40μWcm-1K-2。
图三：不同碳纤维掺杂浓度下GeTe基热电材料的热输运性质
碳纤维的掺杂除了能通过能量过滤效应提高材料电输运性质外，还可以进一步通过增加GeTe基热电材料的高维缺陷，如晶界、位错、层错等，增强对低频与中频的声子散射，从而降低晶格热导率（图三）。在0.9 wt%碳纤维的掺杂下，其晶格热导率显著降低，最低约为0.3Wm-1k-1。通过Debye-Callaway模型也进一步验证了晶界、位错、层错等高维缺陷对晶格热导率的影响。本研究通过对能量过滤效应与缺陷演化工程的协同调控，显著提高GeTe基热电材料的性能，同时给未来其他热电材料系统的性能优化提供了思路。
林尚超课题组致力于电子/离子热电材料与器件、庞压卡制冷与热电池、热化学储热与固态储氢等研究，近年来在Advanced Functional Materials、Science Advances、Chemical Engineering Journal等国际期刊发表了一系列研究性论文。该研究工作得到了国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金重点国际合作项目和国家特聘青年专家计划项目的资助。
论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894724071432
