成果发表

赵立东教授团队在研究硫化铅基热电材料温差发电及制冷领域取得重要进展！成果发表于国际顶级期刊《Nature》子刊。

Nature旗下学术期刊《Nature Communications》2024年5月刊登了署名天目山实验室的最新研究成果“Realizing thermoelectric cooling and power generation in N-type PbS0.6Se0.4 via lattice plainification and interstitial doping”。这一成果通过晶格素化与间隙掺杂等策略，实现了n型PbS基热电材料性能的显著提升。优化后的n型PbS材料达到了该体系中的约0.64的最高室温ZT。该工作制备了首个基于n型PbS基材料的热电制冷器件，实现了约36.9 K室温制冷温差和8%的发电效率。论文的合作单位包括北京航空航天大学、北京高压科学中心、香河汇文节能科技有限公司等，赵立东教授、谢鸿耀教授为论文的通讯作者。

热电材料可以通过工业生产中的余废热发电提高能源利用率，也在电子元件控温等领域有着重要应用。然而商业Bi2Te3中原材料的稀缺阻碍了热电技术的可持续发展和广泛应用。基于此，赵立东教授团队开发了一种低成本且原材料储量丰富的PbS基化合物。优化后的n型PbS材料实现了该体系中的约0.64的最高室温ZT。该工作制备了首个基于n型PbS基材料的热电制冷器件，在室温下实现36.9 K制冷温差，此外制备的单臂器件的发电效率达到约8%。该工作对于开发低成本热电器件以实现热电技术的可持续发展具有重要意义。

如图1所示，商业化的热电材料Bi2Te3中的Te元素在地壳中储量稀少且价格昂贵，而PbS的原料储量丰富且价格低廉，优化后的n型PbS材料与商业n型Bi2Te3相比有着更高的性价比，通过晶格素化策略提升迁移率后，利用Cu进行间隙掺杂优化载流子浓度，以最优成分生长高质量晶体进一步优化热电性能，最终用本工作获得的n型PbS基热电材料与商用p型Bi2Te3搭建器件，得到了36.9K的室温制冷温差，单臂器件拥有8%的最大发电效率。

该工作首先在PbS中固溶Se来降低晶格热导，获得低热导基体PbS0.6Se0.4。图2展示了通过额外进行Pb补偿以实现低热导基体PbS0.6Se0.4的晶格素化，电镜表征可观察到Pb补偿后阳离子空位的明显减少，由于阳离子空位填充后减少了点缺陷对载流子的散射，载流子浓度与迁移率实现协同了优化，其中Pb1.004S0.6Se0.4的宽温域热电性能都得到了明显提升。

在Pb1.004S0.6Se0.4基础之上引入Cu，图3中电镜结果表明Cu原子处于晶格间隙，理论计算进一步表明在富铅情况下Cu原子在间隙位置拥有最低的缺陷形成能。由于Cu处于晶格间隙提供电子优化载流子浓度，且会造成轻微的晶格畸变散射声子从而降低晶格热导，材料宽温域内性能进一步得到提升。选择近室温段性能最优的Pb1.004S0.6Se0.4+0.001Cu样品生长高质量晶体，通过减少晶界对于载流子的散射进一步提升迁移率，以此实现材料热电性能在宽温域内的显著提升，如图4所示。最终Pb1.004S0.6Se0.4+0.001Cu晶体样品的室温ZT达到0.64, 300 - 823 K的平均ZT达到0.92，均为PbS体系中报道的最高值。图5表明，与其他PbS基热电材料相比，此工作在近室温段具有很高的平均功率因子，在宽温域内有很高的平均ZT。利用高性能样品制作的单臂器件在474 K的温差下发电效率达到8%，是目前硫基化合物热电材料中的较高值。

此工作表明PbS基热电材料在热电制冷及温差发电方面都拥有很好的潜力，为近室温段PbS热电性能的提升提供了系统性的策略，对热电技术的可持续发展做出了重要贡献。

图1. 硫化铅基材料展现出突出的发电与制冷能力

图2. 晶格素化策略提升PbS0.6Se0.4的热电性能

图3. Cu间隙掺杂显著优化材料的热电性能

图4. 高质量晶体生长显著提升材料热电性能

图5. 晶体样品及单臂发电器件的性能

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-48268-3