新加坡南洋理工大学&美国西北大学：PbS的能带工程-带间态和费米能级的钉扎效应增强热电性能

【前言】

化石燃料的能量大约有60%以废热形式被浪费了，并造成了大量温室气体排放，严重的空气污染和能源危机等。如何利用这些热能来提高能源利用效率，解决能源危机和全球环境问题，是摆在人类面前的一个重要挑战。热电材料是一种能够将热能直接转化为电能的材料，在转换过程中无噪音和有害物质的排放。热电材料已成为可持续废热回收处理领域的研究热点，受到了广泛关注。

【成果简介】

铅基硫属化合物在中温热电领域具有广泛的应用。但是由于Te和Se元素地壳含量低，价格高涨，限制了其广泛的产业应用。由于S元素含量丰富，价格低廉，且PbS热稳定性高，PbS逐渐引起了研究人员的广泛兴趣。然而，由于PbS热电材料较低的功率因子，较高的晶格热导率和较低的热电优值，严重限制了其在热电器件方面的应用。为此，新加坡南洋理工大学颜清宇教授课题组、美国西北大学Kanatzidis教授课题组与合作者，近期在n型PbS材料中实现了热电性能的突破。所研制的n型材料在400-923K温度区间平均热电优值达到0.74，是n型PbS热电材料中文献报道的最高值。

在该研究成果中，作者制备了一种高性能的n型PbS热电材料：(1)通过Ga和In的共同掺杂，可以有效调节载流子浓度。并且，相比于常见的Cl，Sb以及Bi掺杂，Ga和In共同掺杂可以极大的降低固溶体的晶格热导；(2)能带结构计算表明Ga掺杂在禁带中引入了一条带间态，该带间态引起Fermi level pinning现象。随后的Hall测试结果确认了该现象。进一步的计算结果显示，该带间态和Fermi level pinning可以提高Seebeck系数，这与实验测试结果相吻合；(3)在Ga掺杂的基础上，引入少量的In，可以极大的提高载流子浓度和电导率，并且进一步降低了晶格热导率。理论计算表明In的共同掺杂引入了一条额外的导带，使得电导率有了极大的提高。综合结果导致Ga和In共同掺杂的PbS具有优异的热电性能。作者从能带结构调控方面提出了一种新颖的热电优化策略，有望扩展到其他热电材料体系，提高热电优值。

【图文导读】

图1. 能带结构调控策略（左）和平均热电优值（右）。

图2.（a）Ga和In掺杂的PbS功率因子和其他n型PbS热电材料的比较；（b）Ga, In, Cl和Sb掺杂的n型PbS固溶体材料晶格热导率的比较。

相关研究成果发表在Journal of the American Chemical Society DOI: 10.1021/jacs.9b01889上。

文献链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.9b01889。

本文由课题组供稿，材料人编辑部编辑

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