Cu-Sn-S基三元半导体化合物的结构与热电性能研究

发布时间：2020-03-29 07:26

【摘要】：热电材料作为一种能够利用材料内部载流子输运实现热能与电能相互转换的功能材料,在温差发电、固态制冷等多个领域具有非常好的应用前景。而热电器件的转换率与材料自身的热电性能密切相关。因此,不断改善和提高材料的热电性能,是目前研究的重要课题。三元Cu-Sn-S基化合物由于其成本低、化学稳定性好受到了广泛的关注,但是较宽的禁带宽度使其电导率非常低,同时,赛贝克系数和载流子浓度不协调。由于这些问题导致其热电性能不高。因此,开发新型的Cu-Sn-S基热电材料意义重大。本文选取三元Cu3Sn S4基化合物为主要研究对象,掺杂不同的元素,通过合金化降低晶格热导率。同时,采用第一性原理,计算其能带结构,了解并掌握运输特性;协调赛贝克系数和载流子浓度,探索出热电性能优化策略,大幅度提升其热电优值ZT。主要研究成果总结如下:(1)根据第一性原理计算结果,过量的Sn元素会占据在Cu3Sn S4晶格间隙或Cu原子的位置,使能带结构发生改变,费米能级(Ef)去钉扎并向导带移动。但计算的禁带宽度(Eg)却几乎没变,Eg=~1.25 e V。(2)由于载流子散射和晶格结构畸变,Cu3Sn S4晶格热导率(k L)有了明显的降低;过量的Sn元素在一定程度上降低了载流子浓度(n H),从而提高了赛贝克系数(S),协调了赛贝克系数和载流子浓度之间的关系。(3)根据对材料Cu3Sn1+x S4品质因子B的计算,证明当x=0.2时品质因子B最佳。在790 K,Cu3Sn1.2S4的热电优值为0.75,是本征Cu3Sn S4的2.8倍。(4)掺杂Ag元素后,使Cu3Sn S4的晶格结构发生改变,降低了热导率。当x=0.2时,材料Cu2.8Ag0.2Sn S4的热电优值为0.49,是本征Cu3Sn S4的~2倍。(5)掺杂Se、Te和Zn后,改变了元素之间电负性差异,可使Cu3Sn S4和Cu3Sn1.2S4的晶格结构产生畸变,声子散射增强,热导率降低。但是对于Cu3Sn S4热电性能的提升非常有限,仅为~7%。
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全球能源

1 绪论1 绪论1 Introduction1.1 引言 (Introduction)工业革命以来，人类的社会生产力得到了前所未有的提升，经济规模迅速扩张，在创造出不计其数财富的同时，也带来了传统能源日益枯竭、环境污染和生态破坏等许多严峻的问题。能源是人类赖以生存的物质基础之一，2016 年，全球能源消耗 132 亿吨 (t) ，1991~2016 年全球能源消耗如下图 1-1 所示[1]。根据美国能源信息管理局的报告，从 2012~2040 年，能源消耗将提升 48%[2]。

示意图,帕尔贴效应,热电效应,汤姆逊效应

汽车座椅等多个领域[11,12]。由此可见，热电材料在航天、军事、民用等多个领域具有非常大的应用前景，，大力开发和研制新型热电材料及器件对促进大规模应用具有十分重要的作用。尽管近年来，热电材料及其器件的研发受到了越来越多的关注，相关研究的投入和科研成果也在不断攀升，但是相比于传统热机的发电效率 (30%~40%)，热电器件的转换率依然很低，其工作效率一般在 6%~10%左右[13-15]。而根据相关热力学理论，热电器件的转化效率是由卡诺效率和热电材料自身的热电性能共同决定。因此，不断改善材料的热电性能，并能有效的提高热电器件的转换率是目前研究的重要课题[16,17]。1.2 热电效应 (Thermoelectric Effect)1.2.1 热电效应理论早在 19 世纪上半叶，众多的西欧科学家发现并提出热电现象。通过研究，提出了热电效应，主要由赛贝克效应 (Seebeck Effect) 、帕尔贴效应 (PeltierEffect) 和汤姆逊效应 (Tomson Effect) 构成。三大效应示意图如图 1-2 所示[18]。
【学位授予单位】：中国矿业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB34

【参考文献】