【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】熱電制冷技術(shù)作為一種新型固態(tài)制冷技術(shù)，具有體積小、重量輕、可靠性高、無機械運動部件等特點，在集成電路散熱、芯片控溫、紅外探測器冷卻、生物設(shè)備等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。目前Bi2Te3基合金材料是唯一的商用熱電制冷材料。但由于Te元素的稀缺性和昂貴價格，極大限制了熱電制冷技術(shù)的規(guī)模化應(yīng)用。針對此難題，電子科技大學(xué)材料與能源學(xué)院肖鈺特聘研究員課題組開發(fā)了一種低成本高性能對稱PbSe基熱電制冷器件，研究成果近期發(fā)表在Advanced Materials期刊上。電子科技大學(xué)材料與能源學(xué)院為論文第一單位，電子科技大學(xué)博士后徐莉青為第一作者，肖鈺特聘研究員為共同通訊作者。
本工作率先制備了由7對n型Pb1.02Cu0.002Se和p型Pb0.988Cu0.002Se多晶熱電臂構(gòu)成的低成本對稱PbSe基熱電制冷器件。該對稱器件在熱端溫度為303和343 K時分別可實現(xiàn)32.8和41 K的制冷溫差。相較于低成本PbSnS2基器件和Bi2Te3基熱電器件，展現(xiàn)出極高的室溫制冷性價比(ΔT/cost)，如圖1所示。
圖1.低成本高效的對稱PbSe基熱電制冷器件。
a)對稱PbSe基器件與PbSnS2基器件的制冷溫差對比。b) P型PbSe的ZT值對比。c) PbSe基器件與Bi2Te3基器件的成本效益對比。
圖2. Pb0.988Cu0.002Se的微觀結(jié)構(gòu)
該對稱PbSe基熱電器件展現(xiàn)出優(yōu)異的制冷性價比主要源于本工作中開發(fā)的低成本且具有優(yōu)異近室溫?zé)犭娦阅艿膒型Pb0.988Cu0.002Se材料。在p型PbSe中，Cu原子的間隙形成能略低于取代Pb的形成能，因此理論上Cu會優(yōu)先占據(jù)PbSe晶格的間隙位。本工作通過使用Pb空位和Cu取代共摻雜實現(xiàn)了對p型PbSe中的空穴載流子濃度的精確調(diào)控。圖2顯示在含有一定Pb空位的PbSe中，Cu可以穩(wěn)定占據(jù)Pb位，實現(xiàn)受主摻雜。
圖3. Pb0.988Cu0.002Se的熱電性能對比
此外，PbSe晶格內(nèi)自由移動的Cu原子顯著阻礙了聲子傳播，提升了p型Pb0.988Cu0.002Se的遷移率與晶格熱導(dǎo)率的比值(μ/κlat)。最終，p型Pb0.988Cu0.002Se的室溫ZT值(ZTRT)和300-573 K內(nèi)的平均ZT值(ZTave)可分別達到0.6和0.68，遠超已報道的p型PbSe基多晶材料。本工作表明，PbSe化合物是Bi2Te3基合金材料在室溫附近熱電制冷應(yīng)用極具前景的候選者，且成本效益高的對稱PbSe基器件為規(guī)模化熱電制冷應(yīng)用提供了新方案。
該工作還得到了北京航空航天大學(xué)和中國石油大學(xué)合作者的支持，同時得到了國家重點研發(fā)計劃、四川省自然科學(xué)基金和電子科技大學(xué)校百人等項目資助。
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