導(dǎo)讀：當(dāng)今，化石能源短缺和環(huán)境污染問題凸顯，能源的多元化和高效多級利用成為解決能源與環(huán)境問題的一個重要途徑。作為一種綠色能源技術(shù)和環(huán)保型制冷技術(shù)熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。熱電器件可以實現(xiàn)熱能和電能的直接轉(zhuǎn)換，在航空航天、低品位熱回收和固態(tài)制冷領(lǐng)域具有重要的研究價值。
隨著航空航天、物聯(lián)網(wǎng)及低品位熱回收等領(lǐng)域的發(fā)展，熱電發(fā)電器件的性能越來越受到人們關(guān)注，除了用于制備器件的熱電材料本身的zT值這一重要因素外，器件的結(jié)構(gòu)（形狀、尺寸、連接方式）以及界面材料等都對器件性能有重要影響，因此，對于發(fā)電器件性能的準(zhǔn)確測量從而改善器件的設(shè)計及制造工藝成為科研工作者的迫切需求。
日本Advance Riko公司新推出的小型熱電轉(zhuǎn)換測量系統(tǒng)Mini-PEM（圖1）是一款既可以測量單腿器件，也可以測量多對器件的商用熱電轉(zhuǎn)換效率測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)熱端溫度可高達(dá)500℃，可以測量器件在不同溫差條件下的發(fā)電量、熱流量及最大轉(zhuǎn)換效率。
圖1、小型熱電轉(zhuǎn)換效率測量系統(tǒng)Mini-PEM
趙立東教授課題組Science
碲化鉍基熱電材料（BiTe）在室溫附近具有優(yōu)異的熱電性能，被廣泛應(yīng)用于低溫區(qū)的制冷及發(fā)電，是目前極具前瞻性的熱電材料體系，但Te元素的稀缺性（地殼內(nèi)含量：0.005ppm）使其廣泛應(yīng)用受到限制，因此尋找新的材料體系對于熱電材料的廣泛應(yīng)用非常重要。來自北京航空航天大學(xué)的趙立東教授課題組對于SnSe體系進(jìn)行了深入的研究，在2021年的工作中【Science373 (2021) 556-561】通過摻雜Pb，顯著提高了p型SnSe晶體室溫附近的電傳輸性能，并制備了基于SnSe晶體材料的熱電器件，測試了其溫差發(fā)電性能（最大發(fā)電量及功率），還實現(xiàn)了大溫差的電子制冷。這一研究表明了SnSe基晶體材料作為溫差發(fā)電和電子制冷材料的巨大潛力，使用p型SnSe晶體制備的器件，其制冷性能達(dá)到了使用傳統(tǒng)BiTe基材料商用器件的70%（210K溫差下），且SnSe基熱電材料具有成本低、重量輕且儲量更加豐富的優(yōu)勢，具備巨大的應(yīng)用潛力[1]。
2023年，該課題組通過在SnSe中引入Cu填充Sn空位，有效地提高了載流子遷移率，基于獲得的高性能SnSe晶體搭建的熱電器件在發(fā)電和制冷都表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。發(fā)電器件（TEG）在300K溫差下能夠?qū)崿F(xiàn)最高12.2%的發(fā)電效率，制冷器件（TEC）在室溫及高溫下也均實現(xiàn)了優(yōu)異的制冷性能[2]。
近期，該課題組通過物理氣相沉積的方法制備了PbSe晶體，以及在PbSe晶體中額外引入微量的Pb，觀察到了PbSe晶格中的本征Pb空位被填補，其對應(yīng)的點缺陷散射被削弱，從而顯著增加了載流子遷移率?；讷@得的高性能N型PbSe晶體在發(fā)電與制冷都表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。如圖2A所示，單腿器件在420K溫差下能夠?qū)崿F(xiàn) ~ 11.2%的發(fā)電效率；如圖2B所示，與該課題組2023年開發(fā)的高性能P型SnSe晶體（Science380（2023）841-846）搭配制備的Se基熱電制冷器件在熱端溫度（Th）為室溫下能夠?qū)崿F(xiàn) ~ 73.3 K的制冷溫差，其制冷性能優(yōu)于Bi2Te3基等材料制成的制冷器件[3]。
圖2、熱電轉(zhuǎn)換效率對比圖（A）；制冷器件溫差對比圖（B）
該工作以《Grid-plainification enables medium-temperature PbSe thermoelectrics to cool better than Bi2Te3》為題，發(fā)表在《Science》上，其中單腿發(fā)電器件的發(fā)電量及轉(zhuǎn)換效率均使用Mini-PEM測得。與上述工作不同，如果樣品為多對p-n結(jié)構(gòu)，ADVANCE RIKO公司則提供熱電轉(zhuǎn)換測量系統(tǒng)PEM-2用于發(fā)電量及轉(zhuǎn)換效率的測量。熱電轉(zhuǎn)換測量系統(tǒng)PEM-2支持多種器件尺寸（最大40mm×40mm），熱端最高溫度可達(dá)800℃，測量在惰性氣體（Ar2）中進(jìn)行。
圖3、熱電轉(zhuǎn)換效率測量系統(tǒng)PEM-2
何佳清教授課題組Science
近期，來自南方科技大學(xué)何佳清教授課題組的科研工作者，首次發(fā)現(xiàn)并驗證了空穴載流子捕獲和釋放機制和其對材料電性能的調(diào)控作用，以及調(diào)控材料本證鉛空位形態(tài)的贗納米結(jié)構(gòu)對材料熱輸運的抑制作用。課題組在碲化鉛材料中構(gòu)造了大量的納米級空位團(tuán)簇，這些團(tuán)簇在材料中產(chǎn)生了大量的應(yīng)力和應(yīng)變，使材料的晶格熱導(dǎo)率顯著降低了，并且更加有利于熱電材料的高服役。同時，熱電器件結(jié)構(gòu)設(shè)計和轉(zhuǎn)換效率的提升，也有助于推動熱電發(fā)電器件的發(fā)展和應(yīng)用[4]。該工作以《Pseudo-nanostructure and trapped-hole release induce high thermoelectric performance in PbTe》為題，發(fā)表在《Science》上，其中熱電發(fā)電器件的轉(zhuǎn)換效率使用PEM-2測得。
圖4、使用PbTe制備的熱電發(fā)電器件的熱電性能
延伸閱讀
日本ADVANCE RIKO公司已專業(yè)從事“熱”相關(guān)技術(shù)和設(shè)備的研究開發(fā)近60年，并一直走在相關(guān)領(lǐng)域的前沿，為世界各地的科學(xué)研究及生產(chǎn)活動提供了諸如紅外加熱、熱分析/熱常數(shù)測量等系統(tǒng)。2018年初，Quantum Design 中國公司將日本ADVANCE RIKO公司先進(jìn)熱電材料測試設(shè)備：小型熱電轉(zhuǎn)換效率測量系統(tǒng)Mini-PEM、塞貝克系數(shù)/電阻測量系統(tǒng)ZEM、熱電轉(zhuǎn)換效率測量系統(tǒng)PEM及薄膜厚度方向熱電性能評價系統(tǒng)ZEM-d引進(jìn)中國。
2018年7月，Quantum Design中國與日本ADVANCE RIKO達(dá)成協(xié)議，作為其熱電材料測試設(shè)備在中國的代理商繼續(xù)合作，攜手將日本ADVANCE RIKO先進(jìn)的熱電相關(guān)設(shè)備介紹到中國。目前，所有中國用戶購買的日本ADVANCE RIKO熱電產(chǎn)品，均由Quantum Design中國公司的工程師團(tuán)隊負(fù)責(zé)安裝及售后服務(wù)。同時，Quantum Design 中國公司在日本ADVANCE RIKO公司的協(xié)助下，在北京建立部分熱電設(shè)備示范實驗室和用戶服務(wù)中心，更好的為中國熱電技術(shù)的發(fā)展提供設(shè)備支持和技術(shù)服務(wù)。
參考文獻(xiàn)
[1] Qin Bingchao et al., Power generation and thermoelectric cooling enabled by momentum and energy multiband alignments, Science30 Jul 2021: Vol. 373, Issue 6554, pp. 556-561
[2] Liu Dongrui et al., Lattice plainification advances highly effective SnSe crystalline thermoelectrics, Science380, 841–846 (2023)
[3] Qin Yongxin et al., Grid-plainification enables medium-temperature PbSe thermoelectrics to cool better than Bi2Te3, Science383, 1204–1209 (2024)
[4] Jia Baohai et al., Pseudo-nanostructure and trapped-hole release induce high thermoelectric performance in PbTe, Science384, 81–86 (2024)
相關(guān)產(chǎn)品
1.小型熱電轉(zhuǎn)換效率測量系統(tǒng)-Mini-PEMhttp://www.zgdxszj.com/product/2018030739.shtml2.熱電轉(zhuǎn)換效率測量系統(tǒng)-PEM
