南科大最新Science：高效热电材料的开发！

一、【科学背景】

热量是自然界和社会中未充分利用的能源，其积累和利用一直是人们关注的热点领域。能够实现直接和反向热-电转换的热电材料因其在各种应用中的潜在用途而引起了人们的兴趣。然而，由于电和热传输特性的强烈纠缠，开发高效热电器件具有挑战性。热电模块的转换效率与材料的无量纲品质因数zT = σS²T/κ有关，其中σ、S、κ和T分别是电导率、塞贝克系数、热导率和绝对温度。热导率包括来自晶格振动的晶格热导率κ_l和来自电荷载流子输运的电子热导率κ_e。显然，优异的热电品质因数需要高功率因数（σS²）和低导热率。然而，这些参数彼此紧密耦合，使得每个单独参数的独立调整具有挑战性。

二、【创新成果】

基于此，南方科技大学何佳清教授团队在Science发表了题为“Pseudo-nanostructure and trapped-hole release induce high thermoelectric performance in PbTe”的论文，展示了在p型碲化铅（PbTe）基材料中实现了空位簇的伪纳米结构和捕获空穴释放的动态载流子调节的情况，从而能够同时调节声子和载流子传输。在850 K时实现了高达2.8的峰值zT值，在300至850 K时实现了1.65的平均zT值，这两个值都是所有报道的p型PbTe系统中的最高值。最后，研究人员在自制分段模块中在554 K的温度梯度下获得了高达约15.5%的能量转换效率。这些值是报道的最高值之一，证明了热电技术中温应用的开发潜力。

图1  具有伪纳米结构和捕获空穴释放的高性能PbTe基材料和模块© 2024 AAAS

图2  Pb_0.97Na_0.03Te-2%MgTe-x%GeTe（x=0、0.25、0.5、0.75或1）的热电性能 © 2024 AAAS

图3  孔捕获和释放 © 2024 AAAS

图4  伪纳米结构的表征 © 2024 AAAS

图5  PbTe基分段模块的热电性能 © 2024 AAAS

三、【科学启迪】

综上，研究人员通过依赖于伪纳米结构和各种形式掺杂的陷孔释放机制，提高了p型PbTe基热电材料和模块的热电性能。由阳离子空位团簇组成的伪纳米结构有效地阻止了声子传输，但允许空穴通过，从而实现了全面的电子—声子解耦。空穴在低温下被捕获，在高温下被释放，这使得空穴浓度可以在很宽的温度范围内得到优化。热电材料和模块方面的这一进展可加速中温热电发电技术的实际应用。

原文详情：Pseudo-nanostructure and trapped-hole release induce high thermoelectric performance in PbTe (Science 2024, 384, 81-86)

本文由大兵哥供稿。