研究背景
隨著全球對能源利用效率和可持續性的日益關注，熱電技術作為一種直接將廢熱轉化為電能的可行方案備受關注。研究人員一直在努力尋找高效、成本低廉的熱電材料，以推動熱電技術的應用。然而，傳統的商業熱電材料如Bi2Te3面臨著原材料稀缺、性能限制等問題，這嚴重制約了熱電技術的可持續發展和廣泛應用。熱電材料的性能通常通過ZT值來評估，該值與Seebeck系數、電導率和熱導率等因素有關。然而，這些物理參數之間存在著相互關聯，使得熱電材料性能的優化變得十分復雜。此外，傳統材料如Bi2Te3受限于其小的帶隙和原材料的稀缺性，使得進一步提升其性能變得困難。針對這些問題，研究人員開始探索地球豐富的材料，如鉛硫族化合物PbS，作為可能的替代品。然而，由于PbS的固有高熱導率和低載流子濃度，其在低溫下的熱電性能長期以來被忽視。因此，研究人員面臨著將PbS材料轉化為高性能熱電材料的挑戰。為了解決這些問題，北京航空航天大學趙立東教授、謝鴻耀教授等人開展了針對PbS的深入研究和優化。通過晶格平整化和Cu間質摻雜等策略，他們成功地改善了PbS的載流子遷移率和低溫熱電性能。最終，他們開發出了一種低成本、豐富的PbS化合物，具有優越的熱電性能。通過這項研究，他們不僅提高了PbS在室溫下的熱電性能，還成功制備了基于PbS的熱電制冷裝置和發電器件。以上成果在“Nature Communications”期刊上發表了題為“Realizing thermoelectric cooling and power generation in N-type PbS0.6Se0.4 via lattice plainification and interstitial doping”的最新論文。
研究亮點
1. 本研究通過晶格平整化和Cu間質摻雜，成功地優化了PbS的熱電性能，使其在低溫區域表現出顯著改善，具有潛力作為固態熱泵，同時可能成為商業Bi2Te3材料的可行替代品。2. 在本研究中，優化后的PbS材料實現了記錄高的室溫ZT達到0.64，這是對傳統中溫度熱電材料的突破，為其在實際應用中的可行性提供了堅實的基礎。 3. 研究團隊制備了基于n型PbS的熱電制冷裝置，展現了約36.9 K的冷卻溫差，這顯示了優化后的PbS在實際制冷應用中的潛力。4. 利用優化后的PbS材料，單電節器件的發電效率達到了約8%，表明其在將廢熱轉化為有價值電能方面具有顯著潛力，對提高能源利用效率具有重要意義。5. 與商業Bi2Te3相比，PbS材料具有豐富的原材料資源，這使得其在大規模應用方面具有更大的優勢，有助于推動熱電技術的可持續發展。6. 研究團隊通過晶體生長技術進一步提高了PbS材料的載流子遷移率和熱電性能，在整個研究溫度范圍內均實現了良好的性能優化，為其在不同溫度下的應用提供了更廣闊的可能性。
圖文解讀
圖1：基于PbS的熱電材料的高性能和地球豐度，以及熱電制冷和發電潛力的比較。 圖2. 多晶Pb1+yS0.6Se0.4樣品的微觀結構和輸運性質。
圖3. 多晶Pb1.004S0.6Se0.4 + zCu樣品的微觀結構和輸運性質。圖4. SPSed樣品和晶體Pb1.004S0.6Se0.4 + 0.001Cu樣品的微觀結構和輸運性質。 圖5：晶體Pb1.004S0.6Se0.4 + 0.001Cu樣品的器件性能。
研究結論
這項研究通過針對稀有元素碲的替代性材料開展深入探索，提出了一種低成本、豐富的PbS材料作為熱電技術的新選擇。通過對PbS材料進行晶格優化和摻雜調控，成功提高了其在低溫下的熱電性能，實現了室溫下的高ZT值和顯著的發電效率，為廢熱回收和電子設備制冷提供了新的解決方案。這不僅拓展了熱電材料的種類和選擇范圍，也為熱電技術的可持續發展和應用提供了重要的科學支撐。這項研究揭示了替代性材料的潛力，為構建更加可持續和高效的能源利用系統提供了啟示。Wang, L., Wen, Y., Bai, S. et al. Realizing thermoelectric cooling and power generation in N-type PbS0.6Se0.4 via lattice plainification and interstitial doping. Nat Commun 15, 3782 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-48268-3
