热电材料能够将余热直接转化为电能，提高化石能源的利用效率，受到了能源界的广泛关注。热电器件的转换效率取决于无量纲优值系数，ZT=S2σT/κtot，其中S、σ、T、κtot分别表示塞贝克系数、电导率、开尔文绝对温度和总导热系数。显然，理想的热电材料应该同时具有大的塞贝克系数、高的电导率和低的总热导率。然而，热电参数之间的这些错综复杂的相互关系使得获得高ZT值极具挑战性。
近日，西安交通大学Yu Xiao，北京航空航天大学赵立东教授报道了以n型PbSe为例，阐述了最大化其载流子迁移率和热电性能的策略。
文章要点
1）通过SnS合金化优化了n型PbSe的载流子有效质量，室温载流子有效质量从Pb0.99Sb0.01Se的~0.34 me降低到Pb0.99Sb0.01Se-30%SnS的~0.25 me，使SnS合金化的PbSe的载流子迁移率达到最大值~303 cm2 V-1 s-1的最大值。
2）为了匹配SnS合金化PbSe中降低的载流子有效质量，以Cu原子作为间隙掺杂，进一步优化了载流子浓度。在300 K下获得的最佳载流子浓度为~8.9×1017 cm-3，这样低的载流子浓度使得n型PbSe-18%SnS-0.5%Cu样品的载流子迁移率达到~6081 cm2 V-1 s-1。更重要的是，n型PbSe-18%SnS-0.5%Cu中的Cu间隙呈现动态掺杂行为，从而使载流子密度从300 K的~8.9×1017 cm-3持续增加到773 K的~9.9×1018 cm-3。这种特殊的动态掺杂行为可以在整个温度范围内有效地优化载流子迁移率，避免高温下的双极扩散。
3）对PbSe-18%SnS-0.5%Cu的微观结构观察表明，SnS基纳米结构在PbSe基体中形成半共格相界，有利于保持较高的载流子迁移率，同时阻碍声子传输。
4）采用这些优化载流子迁移率的策略，在n型PbSe-18%SnS-0.5%Cu中实现了约0.6的室温ZT值,773 K时的最大ZT值约为1.6。这种显著增强的热电性能优于先前报道的n型PbSe基材料。
参考文献
Yu Xiao, et al, Ultrahigh carrier mobility contributes to remarkably enhanced thermoelectric performance in n-type PbSe, Energy Environ. Sci., 2021
DOI: 10.1039/D1EE03339E
https://doi.org/10.1039/D1EE03339E
