开发具有创纪录高转换效率的新型热电材料
NIMS通过微量掺杂铜，成功地提高了 n 型 Mg 3 Sb 2基材料的热电性能。然后，NIMS 和 AIST 通过将该材料与高性能 p 型材料结合构建了一个模块，在室温和 320°C 之间实现了 7.3% 的转换效率。这一性能可与半个多世纪以来最好的基于Bi 2 Te 3的模块相媲美。此外，高材料性能本身表明可能高达 11% 的效率。
人类使用的大部分能量都以废热的形式消散了。其中大约 90% 处于 320°C 以下的低温范围内。全球正在大力开发能够将低温废热转化为电能的热电材料。实现高效的热电转换需要同时具有低导热性和高导电性的材料。然而，开发此类材料极具挑战性，因为这两种类型的导电性是相互关联的。为此，Bi 2 Te 3半个多世纪以来，基于 - 的材料一直是将低温热量转化为电能的最有效材料。由于Bi 2 Te 3基材料含有稀少的碲作为其主要成分，因此它们在热电转换中的实际应用非常有限。因此，非常需要开发含有显着较少碲的高性能热电材料。
该研究小组发现，Mg 3 Sb 2基材料的热电性能可以通过掺杂少量铜原子来提高。发现增强的性能是通过两个独立的机制发生的。首先，表明进入间隙位点的微量铜原子会从根本上散射声子(热能载体)，从而大大降低热导率。因此，散热大大减少，提高了热电转换效率。二、铜原子进入晶界有效地减少了电子的散射。结果，多晶材料的电迁移率(通常不如电导体)增加到与单晶材料的电迁移率相当的水平。增加的电导率减少了由焦耳热引起的能量损失。这两种机制同时降低了Mg 3 Sb 2基材料的热导率和增加了电导率，从而提高了其热电转换效率。
我们的结果可能会促进实际和广泛使用仅包含少量稀有元素的热电模块来回收废热，从而显着节约能源。此外，此类模块可用于为各种类型的传感器开发独立电源，这将需要大量实现社会 5.0 愿景。最后，在该项目中发现了改变声子散射行为和控制晶界的新方法，可用于提高各种其他热电材料的性能。
这项研究发表在Joule的在线版本上。
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