單晶和熔融淬火高密度Cu2-xSe塊材的優(yōu)異本征熱電性能

【引言】

由于我們日益嚴重的環(huán)境問題和能源危機，高溫熱電（TE）技術對于可持續(xù)和環(huán)保的清潔能源供應越來越重要。當結上形成溫度梯度時，熱能可以直接轉化為電能。

【成果介紹】

高溫熱電材料的制備成本高、工藝復雜，部分阻礙了其實際應用。在這項工作中，我們提出了熱電材料的另外兩個重要特性：高晶體對稱性和同相熔融。通過對Cu_2-xSe的晶體結構和Cu-Se二元相圖的分析，我們認為新近發(fā)現(xiàn)的Cu_2-xSe熱電材料，其品質因數(shù)zT大于1.5at（1000K），理論上滿足這些要求。采用激光閃光法(LINSEIS LFA 1000)測量了熱擴散系數(shù)（D）。我們發(fā)現(xiàn)其優(yōu)良的熱電性能是固有的，對晶粒度的依賴性較小，而高密度的樣品可以通過熔體淬火的方法很容易地制備出來。我們的結果顯示，熔融淬火樣品和單晶的熱電性能幾乎相同，在973 K的溫度下zT高達1.7–1.8。我們的發(fā)現(xiàn)不僅為具有優(yōu)異熱電性能的高密度Cu_2-xSe塊體提供了一種廉價、快速的制備方法，為Cu_2-xSe在實際熱電模塊中作為一種優(yōu)良的元件實現(xiàn)商業(yè)化鋪平了道路，同時也為尋找具有高晶體對稱性的新型熱電系統(tǒng)或進一步提高其他現(xiàn)有同成分熔融熱電材料的性價比提供了指導。

【圖文導讀】

圖1：（a） 銅硒系統(tǒng)的二元相圖。插圖所示為高溫b相Cu_2-xSe的3D單元。

（b） 高溫b相Cu_2-xSe的單胞分別朝向（100）和（111）平面觀察。

圖2：制備樣品的X射線衍射圖：（a） 用改進的Bridgman法生長Cu_2-xSe單晶。（b） 水淬Cu_2-xSe。（c） 淬火Cu_2-xSe。（d） 低溫a相Cu_2-xSe的標準XRD峰。

圖3：樣品的FE-SEM圖像:(a, b)單晶的表面和截面圖像。插圖顯示了Cu, Se單晶的光學圖像。水淬Cu_2-xSe的斷面圖像 (c) 。內部(d)和近表面(e)淬火Cu_2-xSe塊的圖像。(f) e圖中A區(qū)的放大圖像。

圖4：單晶和超快速成形Cu_2-xSe塊體熱電輸運性質的溫度依賴性：

（a） 電阻率（r），（b） 塞貝克系數(shù)（S），（c） 總熱導率（k），（d） 晶格熱導率（k L），（e） 功率因數(shù)（PF），以及（f） 熱電優(yōu)值（zT）。

【結論】

結果表明，快速熔體淬火法能很好地制備出具有優(yōu)良TE性能的高密度Cu_2-xSe塊材，973k時zT<1.7，該方法也適用于其它類型的同熔TE材料。值得注意的是，由于熔體淬火只需少量的時間，因此可以顯著降低單位時間的制造成本。我們也有提出了銅離子的立方晶對稱性和液態(tài)性，使Cu_2-xSe表現(xiàn)出*的TE性能。我們的研究結果為Cu_2-xSe作為TE模塊中的優(yōu)良組分的商業(yè)化鋪平了道路，也為尋找新的各向同性TE體系或進一步提高其他同成分熔融TE材料的性價比提供了指導。