p型PbTe基化合物及多晶SnSe的高压合成及热电性能研究

发布时间：2020-07-09 11:35

【摘要】：随工业化进程逐步加快,人们在享受生活便利的同时,也面临着日益严重的能源危机和环境问题,开发新型能源材料备受重视。热电材料可以实现热能和电能的直接转化,是一类很有应用前景的能源转化材料。PbTe基热电材料有比较长的研究历史,已经在航空航天、军事等领域广泛应用;而SnSe作为一种新型热电材料,自被发现以来一直是研究的焦点。在这两种材料的制备过程中引入压力调节,能够有效改变反应平衡,缩短反应时间,优化载流子浓度。本文利用高压合成手段分别制备PbTe和SnSe热电材料,并研究了它们的热电性能。探索了纯相PbTe的高压合成工艺,分析测试了不同压力下合成的纯相PbTe的热电性能。研究发现,当铅碲比例为1:1.2,且合成温度不低于1073 K时,可在高压下合成纯相PbTe。高压合成的纯相PbTe样品热电性能都不高,例如2 GPa压力下合成的纯相PbTe样品,ZT值在420 K不到0.2,这是由于样品未经掺杂,载流子浓度低导致电输运性能较差所致。采用高压合成方法结合放电等离子烧结制备了Na掺杂的PbTe样品,分析研究了样品的结构、成分、显微结构及热电性能。高压的实施有效提高了Na元素在PbTe材料中的固溶度,极大提升了载流子浓度。Na_(0.03)Pb_(0.97)Te(原料配比)的实际Na掺杂量为0.27,载流子浓度为3.2×10~200 cm~(-3),电输运性能明显改善。掺杂Na原子引入大量点缺陷,增强了对热输运声子的散射;显微结构分析表明,高压下合成的Na_(0.03)Pb_(0.97)Te样品中存在大量位错和晶格扭曲,增强了对中频声子的散射,进一步降低了材料的晶格热导率。该样品的晶格热导率在700 K以上低至0.67 W/mK。高压合成的Na_(0.03)Pb_(0.97)Te样品,ZT值在740 K提高至1.7。采用高压合成方法结合放电等离子烧结制备了Na掺杂的PbTe-SrTe样品,对样品的结构、成分及热电性能进行了分析。Na_(0.03)Sr_(0.04)Pb_(0.93)Te样品的载流子浓度为2.2×10~200 cm~(-3),高于常压下制备的类似样品。Na在PbTe-SrTe材料中存在明显的富集区,其在高温下扩散加强,使功率因子保持平稳不衰减,Na_(0.03)Sr_(0.04)Pb_(0.93)Te样品的功率因子在620 K时最高为3100μWm~(-1)K~(-2)。Na固溶度的提高带来更多的点缺陷;样品中还形成了蜂窝状的特殊结构。这些都能够有效地散射声子,降低材料的晶格热导率,Na_(0.03)Sr_(0.04)Pb_(0.93)Te样品在770 K时晶格热导率低至0.56 W/mK。协调改善的电、热输运性质使该样品的ZT值在870 K时达到了2.1。探索了多晶SnSe热电材料的高压合成工艺,采用高压合成法结合放电等离子烧结制备了Na掺杂的多晶SnSe块材,对样品的结构、成分及热电性能进行了研究,并讨论了取向性对样品热电性能的关联。Na掺杂明显改善了样品的电输运性能,掺杂引入的点缺陷也使晶格热导率显著降低,Na_(0.02)Sn_(0.98)Se样品的ZT值在798 K可达0.87,平均ZT值也达到了0.31。SPS致密化的多晶Na_xSn_(1-x)Se块材取向性明显,在垂直于SPS压力方向展现了更好的热电性能。
【学位授予单位】：燕山大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB34
【图文】：

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燕山大学工学博士学位论文在这两端之间会出现电势差 ΔV 的现象。通常用 See。其表达式如下：0limabTV dVS = T dT 和金属， Seebeck 效应产生的机理不尽相同。因为为主，所以在此我们也只关注半导体的Seebeck效应较大的能量，在温度梯度驱使下，载流子会从热端这就使材料内部产生的电场与载流子扩散所产生的梯度扩散的速度和因内电场扩散的速度相等时，系便有电势差产生。Seebeck 效应是温差发电的理论依联起来时，便得到了温差发电器件。

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图 1-2 放射性同位素温差发电器(RTG)示意图Figure 1-2 Schematic diagram of radioisotope thermoelectric generator (RTG).

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3图 1-3 温差发电应用实例Figure 1-3 Application instances of thermoelectric generation.大上”的放射性同位素温差发电器，其他一些温差发电入了寻常百姓家。如广东雷子克公司生产的 PTG 系列板式余热发电，且发电量大；江西纳米克公司生产的蜡烛 LE；浙江雷诺日用品公司生产的发电保温杯，可利用杯中手机充电的目的；以及 Matrix Industries 公司研制的世界

【参考文献】