2021年7月8日，南方科技大學物理系講席教授何佳清團隊在國際頂尖學術期刊Science以First Release和全文Research Article的形式發表了題為“Momentum and energy multi-band alignment enable power generation and thermoelectric cooling”的研究論文。
熱電轉換科技是一項基於半導體材料的新能源科技。基於Seebeck效應和Peltier效應，該項科技能够實現溫差生電和通電製冷的效果，其分別在工業廢熱回收利用和電子製冷領域有著重要的應用。相比於傳統能源轉換科技，熱電轉換科技由於其器件具有尺寸高度可控、可靠性高、無運動部件、無污染和無譟音等優勢，在航空航太和集成電路等關鍵領域具有不可替代的重要價值，例如用於航太深空探測中的放射性同位素溫差發電電源（RTG）和用於集成電路領域的微型電子器件散熱製冷和精確溫控等。熱電資料性能指標的關鍵在於能源轉換效率，其由資料的無量綱熱電效能優值（ZT值）决定。由ZT值的定義式（ZT =（S2σ/κ）T）可知，在給定溫度T下，高性能熱電資料應具有大的溫差電動勢S（產生大的電壓）、高的電導率σ（减小焦耳熱損耗）和低的熱導率κ（產生大的溫差）。然而，這些熱電參數相互之間具有强烈的耦合關係，這使得熱電資料的性能優化極具挑戰性，調控這些强烈耦合的複雜熱電參數是提高資料ZT值和熱電轉換效率的關鍵。隨著熱電資料領域的研究越來越受重視，不斷湧現出了諸多提升ZT值的有效策略：優化載流子濃度範圍以提高電導率（σ）；調整電子能帶結構、晶體結構、相結構等優化電傳輸效能（PF = S2σ）；通過引入點缺陷、位錯、晶界、納米級沉澱物等進行多尺度分層架構設計以降低熱導率（κ）；引入磁性納米粒子、功能基元序構設計以及高熵設計等解耦熱傳輸和電傳輸；探索和開發具有本征低熱導率特性的新材料體系；通過高通量及基於基因計算等預測潜在熱電資料等。
該研究通過在動量空間和能量空間同時作用的多價帶協同傳輸策略，實現了P型SnSe晶體熱電效能的顯著提升；並搭建了基於SnSe晶體材料的熱電器件，在器件中不但實現了溫差發電，還實現了大溫差的電子製冷。這一研究表明了SnSe基晶體材料作為溫差發電和電子製冷資料的巨大潜力，且具備成本低、儲量豐富和重量小等優勢。該研究主要集中在如何協同優化有效質量m*和遷移率μ，進一步優化資料的電傳輸效能，低溫區功率因數的優化將為電子製冷提供機遇。在具體研究中，通過變溫同步輻射實驗結合理論能帶結構計算，發現了SnSe資料多個價帶交互作用導致的動量空間和能量空間的價帶對齊效應。如圖1所示，動量空間的價帶對齊對應於第一、第二價帶的合併過程，這一過程顯著提升了遷移率μ和電導率σ；能量空間的價帶對齊對應於第三價帶和前兩個價帶的簡並過程，這一過程有效增强了有效質量m*和溫差電動勢S。通過固溶少量的鉛（9% Pb），進一步促進了資料在動量空間和能量空間的價帶對齊效應，最終實現了P型SnSe晶體ZT值和熱電效能的顯著提升。
圖1.多價帶調控以實現高度優化ZT值的示意圖
基於所得高性能的P型SnSe晶體樣品，研究團隊進行了熱電器件的搭建，並同時表徵了所得器件的溫差發電和通電製冷效能。如圖2A所示，在210度左右的溫差下，基於P型SnSe晶體的熱電器件能够實現約4.4%的熱電轉換效率，這一數值與同一溫差下商業化應用的碲化鉍（Bi2Te3）基熱電器件相當；如圖2B所示，基於P型SnSe晶體的熱電器件能够實現約45.7度的最大製冷溫差，這一數值可以達到商用碲化鉍器件的70%。但相比於Bi2Te3資料，SnSe的成本降低了約54%，重量减少了約21%，且具有較好的可加工性。
該研究首次嘗試了基於SnSe晶體熱電資料的多對熱電器件的裝配與效能表徵，結果表明其擁有良好的溫差發電效率和通電製冷效能。這一研究顛覆了以往研究中只有窄帶隙或半金屬資料才能作為熱電製冷資料的傳統認知，表明了寬帶隙SnSe晶體材料具有可同時作為溫差發電和通電製冷資料的巨大潜力。同時，SnSe資料相比於傳統碲化鉍資料，具有成本低、儲量豐富和重量小等優勢，具有强大的商用器件替代性和實際應用價值，尤其是對於包含5G晶片在內的微型電子器件以及未來通訊器件等領域，其有望實現很好的電子製冷和溫度控制效果，從而帶來更高的社會價值和經濟效益。
圖2.基於P型SnSe晶體的熱電器件的熱電發電效率和最大製冷溫差
該研究主要由南方科技大學物理系和北京航空航太大學資料學院共同完成，清華大學和武漢理工大學作為參與組織。何佳清和北京航空航太大學教授趙立東為該論文的共同通訊作者。
該研究得到了國家自然科學基金重點專案、深圳市科技創新委員會孔雀團隊和南科大高水准二期亮點項目的大力支持。
論文連結：http://dx.doi.org/10.1126/science.abi8668
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