超高性能全鎂基熱電材料與器件的創制和驗證

　　【儀表網 研發快訊】熱電是一種可實現熱能與電能直接相互轉化的全固態清潔能源技術，在主動制冷、精準熱管理和廢熱回收等領域發揮關鍵作用。目前，作為唯一的商業化熱電材料體系，碲化鉍(Bi2Te3)材料及器件廣泛應用于制冷和光電模塊精準控溫，以及近室溫300 ℃下廢熱發電等領域。但碲化鉍本身存在一些顯著缺點，例如材料成本高，平均熱電優值較低，商業化熱電器件轉換效率僅為6 %左右，都限制了這類材料的推廣和更廣泛應用。國際熱電領域在近室溫新型熱電材料中發現了N型Mg3(Sb,Bi)2 和P型MgAgSb材料，其有著優異的寬溫域熱電性能和良好的機械加工性能，成為最有希望替代商業碲化鉍的近室溫熱電材料體系，而針對這兩種材料的性能提升和器件研發則成為熱電領域的研究焦點之一。
 

　　最近，中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心趙懷周研究員團隊與合作者通過改進合成裝備和工藝，克服了由于P性α-MgAgSb成相過程中極易形成銀空位缺陷導致電學性能不佳的長期挑戰，首次制備出具有整數計量比的α-MgAgSb材料，并通過近相變點退火，實現具有馬賽克多晶特征的大晶粒生長，獲得了載流子遷移率為93.3cm2 V-1s-1， 室溫至300℃間平均zT達到1.4的高性能材料樣品，為α-MgAgSb材料報道最高水平，同時也明顯超越了對應的P型碲化鉍材料。進一步通過與高性能N型Mg3(Sb,Bi)2材料搭配，構筑出具有7對熱電臂的發電模塊，最大熱電轉換效率達到12%，突破了我國“十三五”期間國家重點計劃所制定的10%的既定目標，也是目前國際熱電領域近室溫熱電轉換效率最高記錄。
 

　　上述工作受到了國家重點研發計劃項目、國家自然科學基金項目和中國科學院的資助。物理所HM-02組趙懷周研究員、朱航天副研究員為論文的通訊作者，2019級張曉凡博士為第一作者。本系列工作先后發表于(Mater Today Phys 44, 101451 (2024))和(Joule 8, 1–12 (2024))。
 

　　參考連接：
 

　　[1] Joule，2024，8, 1–12：High-performance MgAgSb/Mg3(Sb,Bi)2-based thermoelectrics with η = 12% at T ≤ 583K: Joule (cell.com)
 

　　[2] Mater Today Phys 2024, 44, 101451：https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2024.101451
 

　　圖 α-MgAgSb及全鎂基發電模塊的熱電性能。(a) α-MgAgSb熱電性能優化策略示意圖。(b) MgAg0.97Sb0.99、MgAgSb和退火后MgAgSb的室溫功率因子PF和zT隨載流子濃度的變化。(c)本工作中α-MgAgSb的zT值與文獻結果對比(插圖為本研究中制備的α-MgAgSb與不同來源的商業p型Bi2Te3之間的z值比較)。(d) 全鎂基模塊的轉換效率與文獻報道的單級模塊比較。(c)中的紫色線和藍色線分別代表由中國科學院上海硅酸鹽研究所和北京師范大學提供的第三方測試結果。