Wetenschap
Uit onderzoek blijkt dat interstitiële Cu de defectdichtheid in de matrix vermindert en het donorachtige effect onderdrukt
Vanwege het vermogen om warmte direct en omkeerbaar om te zetten in elektriciteit, heeft thermo-elektrisch (TE) materiaal potentiële toepassingen in solid-state warmtepompen en recuperatie van uitlaatwarmte, waardoor het wereldwijde aandacht trekt. Bi2 Te3 valt op door zijn uitstekende thermo-elektrische eigenschappen en wordt gebruikt in commerciële thermo-elektrische apparaten.
Echter, de ontwikkeling van Bi2 Te3 -gebaseerde thermo-elektrische apparaten worden ernstig gehinderd door de zwakke mechanische eigenschappen en lage TE-eigenschappen van n-type Bi2 (Te, Se)3 . Daarom is het belangrijk om een hoogwaardige n-type Bi2 te ontwikkelen Te3 polykristallijn materiaal.
Om dit probleem aan te pakken, is een onderzoek gepubliceerd in het tijdschrift Science Bulletin , introduceerde extra Cu in het klassieke n-type Bi2 Te2.7 Se0,3 om de lokale defectstatus te optimaliseren, en een heet vervormingsproces in twee stappen werd gebruikt om de polykristallijne Bi2 met hoge textuur te construeren Te2.7 Se0,3 materiaal.
Uit dit onderzoek blijkt dat de extra Cu de van der Waals-openingen tussen de Te (1) kan binnendringen -Te (1) lagen in Bi2 Te2.7 Se0,3 matrix, waardoor de vorming van anionische vacatures wordt onderdrukt. Deze vermindering van de defectdichtheid draagt bij aan roosterverduidelijking in Cu0,01 Bi2 Te2.7 Se0,3 , waardoor de vervoerdermobiliteit van Bi2 wordt verbeterd Te2.7 Se0,3 vanaf 174 cm 2 V –1 s –1 tot 226 cm 2 V –1 s –1 met de 1% extra Cu, resulterend in een maximale ZT van 1,10 bij 348 K.
Vervolgens werd het SPS-gesinterde Cu0,01 Bi2 Te2.7 Se0,3 bulkmateriaal onderging een heet vervormingsproces in twee stappen. Omdat het interstitiële Cu het rooster kan stabiliseren en het donorachtige effect effectief kan onderdrukken. De dragerconcentratie van het hete vervormingsmonster blijft vrijwel onveranderd, terwijl de korreloriëntatie en korrelgrootte aanzienlijk zijn toegenomen, wat de mobiliteit van de drager dramatisch vergroot, vanaf de aanvankelijke 174 cm 2 V –1 s –1 tot 333 cm 2 V –1 s –1 , wat neerkomt op een toename van 91% na het hete vervormingsproces.
Deze aanzienlijke verbetering van de elektronische eigenschappen draagt bij aan een aanzienlijke verbetering van de ZT voor monsters met warme vervorming. De ZTmax van het getextureerde Cu0,01 Bi2 Te2.7 Se0,3 bereikt 1,27 bij 373 K, en de gemiddelde ZT-waarde is 1,22 in het bereik van 300-425 K, bijna twee keer zoveel als de initiële Bi2 Te2.7 Se0,3 .
Bovendien werd een thermo-elektrisch koelapparaat (TEC) met 127 paren vervaardigd met behulp van het gestructureerde Cu0.01 Bi2 Te2.7 Se0,3 monster gekoppeld aan commerciële p-type BST. De TEC-module behaalde koeltemperatuurverschillen van 65 K en 83,4 K bij hoge temperaturen (Th ) van respectievelijk 300 K en 350 K, wat superieur is aan de commerciële Bi2 Te3 -gebaseerde TEC-modules. En er werd een thermo-elektrische generatormodule (TEG) met 7 paren gebouwd met behulp van dezelfde materialen.
De TEG-module vertoonde een aanzienlijk hoge conversie-efficiëntie van 6,5% bij een temperatuurverschil van 225 K, wat vergelijkbaar is met andere ultramoderne Bi2 Te3 -gebaseerde TEG-modules.