日前，南方科技大學物理系講席教授何佳清團隊在國際頂尖學術期刊《科學》發(fā)表了SnSe熱電材料和器件重要成果研究論文。他們的研究顛覆了以往研究中的傳統(tǒng)認知，表明了SnSe晶體材料具有可同時作為溫差發(fā)電和通電制冷材料的巨大潛力。
研究表明，目前全球產(chǎn)生的能量超過60%以廢熱的形式被浪費。在此背景下，熱電轉換，即熱能與電能相互轉換技術已被作為一條解決環(huán)境和能源問題的新途徑。熱電轉換技術是一項基于半導體材料的新能源技術。該項技術能夠實現(xiàn)溫差生電和通電制冷的效果，分別在工業(yè)廢熱回收利用和電子制冷領域有著重要的應用。相比于傳統(tǒng)能源轉換技術，熱電轉換技術由于其器件具有尺寸高度可控、可靠性高、無運動部件、無污染和無噪音等優(yōu)勢，在航空航天和集成電路等關鍵領域具有不可替代的重要價值，例如：用于航天深空探測中的放射性同位素溫差發(fā)電電源和用于集成電路領域的微型電子器件散熱制冷和精確溫控等。
熱電材料性能指標的關鍵在于能源轉換效率，由材料的無量綱熱電性能優(yōu)值(ZT值)決定。然而，決定ZT值的各個熱電參數(shù)相互之間具有強烈的耦合關系，這使得熱電材料的性能優(yōu)化極具挑戰(zhàn)性，調控這些強烈耦合的復雜熱電參數(shù)是提高材料ZT值和熱電轉換效率的關鍵。隨著熱電材料領域的研究越來越受重視，不斷涌現(xiàn)出了諸多提升ZT值的有效策略。
南科大何佳清團隊的研究通過在動量空間和能量空間同時作用的多價帶協(xié)同傳輸策略，實現(xiàn)了P型SnSe晶體熱電性能的顯著提升;并搭建了基于SnSe晶體材料的熱電器件，在器件中不但實現(xiàn)了溫差發(fā)電，還實現(xiàn)了大溫差的電子制冷。這一研究表明了SnSe晶體材料作為溫差發(fā)電和電子制冷材料的巨大潛力，且具備成本低、儲量豐富和重量小等優(yōu)勢。實驗證明，在210度左右的溫差下，基于P型SnSe晶體的熱電器件能夠實現(xiàn)約4.4%的熱電轉換效率，這一數(shù)值與同一溫差下商業(yè)化應用的碲化鉍(Bi2Te3)基熱電器件相當;基于P型SnSe晶體的熱電器件能夠實現(xiàn)約45.7度的最大制冷溫差，這一數(shù)值可以達到商用碲化鉍器件的70%。但相比于Bi2Te3材料，SnSe的成本降低了約54%，重量減少了約21%，且具有較好的可加工性。
該研究首次嘗試了基于SnSe晶體熱電材料的多對熱電器件的裝配與性能表征，結果表明其擁有良好的溫差發(fā)電效率和通電制冷性能。同時，SnSe材料相比于傳統(tǒng)碲化鉍材料，具有成本低、儲量豐富和重量小等優(yōu)勢，具有強大的商用器件替代性和實際應用價值，尤其是對于包含5G芯片在內的微型電子器件以及未來通訊器件等領域，其有望實現(xiàn)很好的電子制冷和溫度控制效果，從而帶來更高的社會價值和經(jīng)濟效益。
該研究主要由南方科技大學物理系和北京航空航天大學材料學院共同完成，清華大學和武漢理工大學作為參與單位。何佳清和北京航空航天大學教授趙立東為該論文的共同通訊作者。(記者 吳吉 通訊員 孫藝琛)
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