近日，太阳成集团tyc234cc古天乐太阳成集团tyc234cc官网葛振华教授与北京航空航天大学赵立东教授，郑州大学王东阳研究员等合作，在单晶SnSe的卓越热电转换性能方面取得重要研究进展，研究以Lattice plainification advances highly effective SnSe crystalline thermoelectrics为题，发表在国际顶级刊物Science上。太阳成集团tyc234cc古天乐太阳成集团tyc234cc官网为合作单位，博士生王子渊，杨添驭参与了SnSe热电器件的制作并负责器件转化效率表征工作。
热电材料能够实现废热与电能的直接相互转化，有利于回收废热中的能量实现能源的再利用。简单化合物SnSe是最有前途的热电候选材料之一，由于其复杂的电子能带结构和独特的3D-电荷/2D-声子输运特性，该体系材料不断展现出他在热电应用中的潜力。
本研究受结构材料中的“材料素化”概念的启发，提出了“晶格素化”的策略，用以改善载流子的输运特性，实现非凡的载流子迁移率意味着更高的导电性，从而在一定程度上有助于降低功耗，这对热电冷却装置的实际应用至关重要。
研究者采用改进的两步布里奇曼方法制备了一系列SnCuxSe晶体，并研究了Cu对SnSe晶体电输运性能的影响。首先，微小的Cu填充Sn空位使晶格平坦，降低缺陷浓度，从而减少晶格缺陷的载流子散射，并在300 K时产生优异的载流子迁移率(~319 cm2 V-1 s-1)。其次，多余的Cu取代晶格中的Sn，形成空穴掺杂，增加载流子浓度n，使费米能级进一步下降到价带，促进了多价带输运。此外，Cu/Sn原子取代对电子能带结构有明显的影响，促进了多能带合成。这些有利效应共同促进了有效质量m*增加到~ 1.7 me，从而在更高的n下实现相对较大的塞贝克系数。通过电导率和塞贝克系数的协同优化，功率因数超过~100 μW cm-1 K-2，在300 K时ZT为~1.5，在300 - 773 K时平均ZT为~2.2。研究者进一步实现了在温差∆T~ 300 K的条件下单臂热电器件的转换效率达到12.2%，以及在环境温度下通过7对Peltier制冷器件制冷产生最大温差∆Tmax~ 61.2 K。该研究结果对SnSe晶体在发电和电子冷却方面的实际应用具有重要意义。
云南省是有色金属王国，锡资源丰富，利用广泛。葛振华教授团队长期从事SnSe基新型热电材料的基础研究和应用基础研究，先后在Science, Nature Comm, JACS, Adv. Funct. Mater.等期刊发表多篇高水平论文，对SnSe热电性能增强机理的深刻理解，将为SnSe热电材料的产业化和器件化奠定基础，并为云南省锡资源精深利用提供新助力。
论文链接地址：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg7196
图1：通过“晶格素化”策略实现卓越热电转换效率与制冷性能
