Улучшенные термоэлектрические характеристики меди

Aug 02, 2023

Научные отчеты, том 5, Номер статьи: 14319 (2015) Цитировать эту статью

4366 Доступов

33 цитаты

Подробности о метриках

Низкая подвижность носителей долгое время считалась ключевой проблемой для улучшения термоэлектрических (ТЭ) характеристик в BiTeI. Двумерная плотность состояний, индуцированная эффектом Рашбы, в этом объемном полупроводнике полезна для повышения термоЭДС, что делает его перспективным соединением для приложений ТЭ. В этом отчете мы показываем, что интеркаляция незначительных легирующих добавок меди может существенно изменить равновесие реакций дефектов, избирательно опосредовать донорно-акцепторную компенсацию и регулировать концентрацию дефектов в проводящей сети носителей. Следовательно, потенциальные флуктуации, ответственные за рассеяние электронов, уменьшаются, а подвижность носителей в BiTeI может быть увеличена в два-три раза в диапазоне от 10 до 300 К. Концентрацию носителей также можно оптимизировать путем настройки соотношения состава Te/I, что приводит к более высокой термоЭДС в этой системе Рашбы. Интеркаляция Cu в BiTeI приводит к более высокому коэффициенту мощности, немного более низкой теплопроводности решетки и, как следствие, к улучшению добротности. По сравнению с исходным BiTe0.98I1.02, характеристики TE в Cu0.05BiTeI демонстрируют улучшение на 150% и 20% при 300 и 520 К соответственно. Эти результаты показывают, что равновесие дефектов, опосредованное селективным легированием в сложных TE и энергетических материалах, может быть эффективным подходом к оптимизации подвижности носителей и производительности.

Мобильность носителей в материалах играет важную роль в хранении и преобразовании энергии, что отражено в батареях, фотоэлектрических элементах и ​​термоэлектриках1,2,3,4. В катодах литий-ионных аккумуляторов подвижность электронов должна быть достаточно высокой, чтобы соответствовать скорости диффузии ионов лития1. Что касается тонкопленочных солнечных элементов, то для прозрачного проводящего оксида предпочтительна достаточная подвижность электронов, в то время как фотогальванически активный слой должен обладать высокой подвижностью носителей × произведением времени жизни для электронов и дырок2,5. Между тем, электрические характеристики термоэлектрических (ТЭ) материалов в основном зависят от подвижности носителей μH и, более конкретно, от взвешенной подвижности μH (m*/me)3/2, где m* и me — эффективная масса носителя и масса свободного электрона. , соответственно6,7. Улучшение мобильности носителей является сложной, но важной задачей для всех высокоэффективных энергетических материалов. В принципе, носители не могут «видеть» периодически расположенные ионы в идеальных кристаллах, поскольку для носителей в периодическом потенциале не происходит столкновений. Однако возмущения из-за несовершенства решетки, примесей и тепловых колебаний ионов могут рассеять носители носителей и ухудшить транспортную подвижность носителей в материалах8.

Технология TE является одним из потенциальных кандидатов, который может облегчить прямое преобразование тепловой энергии в электрическую9. TE-материалы, представляющие собой комбинацию хороших электрических и плохих теплопроводников, являются ключом к повышению эффективности этой «зеленой» технологии. Характеристики TE-материала определяются его безразмерным показателем качества, где S — термоЭДС, T — абсолютная температура, ρ — электрическое сопротивление, κ — теплопроводность, n — концентрация носителей и e — заряд электронов10,11. Стратегии легирования и подходы, связанные с дефектами, были успешно использованы для оптимизации свойств ТЭ в нескольких классах высокоэффективных систем ТЭ материалов, таких как CoSb312,13,14, Mg2(Si, Sn)15, Bi2Te316 и Pb(Se, Te)17. 18. Узкозонные полупроводники с низкой иконичностью обычно должны иметь высокую подвижность носителей19. Однако методы оптимизации характеристик TE, такие как легирование для настройки концентрации носителей и легирование для изменения зонной структуры или уменьшения теплопроводности решетки, неизбежно привносят беспорядки и хаотичность в материалы. Таким образом, подвижность носителей μH может ухудшиться до неожиданно низкие значения6.