電子科技大學材料學院肖鈺研究員課題組開發一種低成本高性能對稱PbSe基熱電制冷器件

　　【儀表網 研發快訊】熱電制冷技術作為一種新型固態制冷技術，具有體積小、重量輕、可靠性高、無機械運動部件等特點，在集成電路散熱、芯片控溫、紅外探測器冷卻、生物設備等領域具有廣泛的應用前景。目前Bi2Te3基合金材料是唯一的商用熱電制冷材料。但由于Te元素的稀缺性和昂貴價格，極大限制了熱電制冷技術的規模化應用。針對此難題，電子科技大學材料與能源學院肖鈺特聘研究員課題組開發了一種低成本高性能對稱PbSe基熱電制冷器件，研究成果近期發表在Advanced Materials期刊上。電子科技大學材料與能源學院為論文第一單位，電子科技大學博士后徐莉青為第一作者，肖鈺特聘研究員為共同通訊作者。
 

　　本工作率先制備了由7對n型Pb1.02Cu0.002Se和p型Pb0.988Cu0.002Se多晶熱電臂構成的低成本對稱PbSe基熱電制冷器件。該對稱器件在熱端溫度為303和343 K時分別可實現32.8和41 K的制冷溫差。相較于低成本PbSnS2基器件和Bi2Te3基熱電器件，展現出極高的室溫制冷性價比(ΔT/cost)，如圖1所示。
 

圖1.低成本高效的對稱PbSe基熱電制冷器件。
 

　　a)對稱PbSe基器件與PbSnS2基器件的制冷溫差對比。b) P型PbSe的ZT值對比。c) PbSe基器件與Bi2Te3基器件的成本效益對比。
 

圖2. Pb0.988Cu0.002Se的微觀結構
 

　　該對稱PbSe基熱電器件展現出優異的制冷性價比主要源于本工作中開發的低成本且具有優異近室溫熱電性能的p型Pb0.988Cu0.002Se材料。在p型PbSe中，Cu原子的間隙形成能略低于取代Pb的形成能，因此理論上Cu會優先占據PbSe晶格的間隙位。本工作通過使用Pb空位和Cu取代共摻雜實現了對p型PbSe中的空穴載流子濃度的精確調控。圖2顯示在含有一定Pb空位的PbSe中，Cu可以穩定占據Pb位，實現受主摻雜。
 

圖3. Pb0.988Cu0.002Se的熱電性能對比
 

　　此外，PbSe晶格內自由移動的Cu原子顯著阻礙了聲子傳播，提升了p型Pb0.988Cu0.002Se的遷移率與晶格熱導率的比值(μ/κlat)。最終，p型Pb0.988Cu0.002Se的室溫ZT值(ZTRT)和300-573 K內的平均ZT值(ZTave)可分別達到0.6和0.68，遠超已報道的p型PbSe基多晶材料。本工作表明，PbSe化合物是Bi2Te3基合金材料在室溫附近熱電制冷應用極具前景的候選者，且成本效益高的對稱PbSe基器件為規模化熱電制冷應用提供了新方案。
 

　　該工作還得到了北京航空航天大學和中國石油大學合作者的支持，同時得到了國家重點研發計劃、四川省自然科學基金和電子科技大學校百人等項目資助。