導讀：當今，化石能源短缺和環境污染問題凸顯，能源的多元化和高效多***利用成為解決能源與環境問題的***個重要途徑。作為***種綠色能源技術和環保型制冷技術熱電轉換技術受到學術界和工業界的廣泛關注。熱電器件可以實現熱能和電能的直接轉換，在航空航天、低品位熱回收和固態制冷領域具有重要的研究價值。

        隨著航空航天、物聯網及低品位熱回收等領域的發展，熱電發電器件的性能越來越受到人們關注，除了用于制備器件的熱電材料本身的zT值這***重要因素外，器件的結構（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，對于發電器件性能的準確測量從而改善器件的設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換測量系統Mini-PEM（圖1）是***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換效率測量系統。該系統熱端溫度可高達500℃，可以測量器件在不同溫差條件下的發電量、熱流量及Max轉換效率。

圖1、小型熱電轉換效率測量系統Mini-PEM

趙立東教授課題組Science

        碲化鉍基熱電材料（BiTe）在室溫附近具有優異的熱電性能，被廣泛應用于低溫區的制冷及發電，是目前極具前瞻性的熱電材料體系，但Te元素的稀缺性（地殼內含量：0.005ppm）使其廣泛應用受到限制，因此尋找新的材料體系對于熱電材料的廣泛應用非常重要。來自北京航空航天大學的趙立東教授課題組對于SnSe體系進行了深入的研究，在2021年的工作中【Science 373 (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，測試了其溫差發電性能（Max發電量及功率），還實現了大溫差的電子制冷。這***研究表明了SnSe基晶體材料作為溫差發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，其制冷性能達到了使用傳統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勢，具備巨大的應用潛力[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電和制冷都表現出優異的性能。發電器件（TEG）在300K溫差下能夠實現Max12.2%的發電效率，制冷器件（TEC）在室溫及高溫下也均實現了優異的制冷性能[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，其對應的點缺陷散射被削弱，從而顯著增加了載流子遷移率。基于獲得的高性能N型PbSe晶體在發電與制冷都表現出優異的性能。如圖2A所示，單腿器件在420K溫差下能夠實現 ~ 11.2%的發電效率；如圖2B所示，與該課題組2023年開發的高性能P型SnSe晶體（Science 380（2023）841-846）搭配制備的Se基熱電制冷器件在熱端溫度（Th）為室溫下能夠實現 ~ 73.3 K的制冷溫差，其制冷性能優于Bi2Te3基等材料制成的制冷器件[3]。

圖2、熱電轉換效率對比圖（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，發表在《Science》上，其中單腿發電器件的發電量及轉換效率均使用Mini-PEM測得。與上述工作不同，如果樣品為多對p-n結構，ADVANCE RIKO公司則提供熱電轉換測量系統PEM-2用于發電量及轉換效率的測量。熱電轉換測量系統PEM-2支持多種器件尺寸（Max 40mm×40mm），熱端Max 溫度可達800℃，測量在惰性氣體（Ar2）中進行。

圖3、熱電轉換效率測量系統PEM-2

何佳清教授課題組Science

        近期，來自南方科技大學何佳清教授課題組的科研工作者，發現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控作用，以及調控材料本證鉛空位形態的贗納米結構對材料熱輸運的控制作用。課題組在碲化鉛材料中構造了大量的納米***空位團簇，這些團簇在材料中產生了大量的應力和應變，使材料的晶格熱導率顯著降低了，并且更加有利于熱電材料的高服役。同時，熱電器件結構設計和轉換效率的提升，也有助于推動熱電發電器件的發展和應用[4]。該工作以《Pseudo-nanostructure and trapped-hole release induce high thermoelectric performance in PbTe》為題，發表在《Science》上，其中熱電發電器件的轉換效率使用PEM-2測得。

圖4、使用PbTe制備的熱電發電器件的熱電性能

延伸閱讀

        日本ADVANCE RIKO公司已專業從事“熱”相關技術和設備的研究開發近60年，并***直走在相關領域的前沿，為世界各地的科學研究及生產活動提供了諸如紅外加熱、熱分析/熱常數測量等系統。2018年初，Quantum Design 中***公司將日本ADVANCE RIKO公司先進熱電材料測試設備：小型熱電轉換效率測量系統Mini-PEM、塞貝克系數/電阻測量系統ZEM、熱電轉換效率測量系統PEM及薄膜厚度方向熱電性能評價系統ZEM-d引進中***。

        2018年7月，Quantum Design中***與日本ADVANCE RIKO達成協議，作為其熱電材料測試設備在中***的代理商繼續合作，攜手將日本ADVANCE RIKO先進的熱電相關設備介紹到中***。目前，所有中***用戶購買的日本ADVANCE RIKO熱電產品，均由Quantum Design中***公司的工程師團隊負責安裝及售后服務。同時，Quantum Design 中***公司在日本ADVANCE RIKO公司的協助下，在北京建立部分熱電設備示范實驗室和用戶服務中心，更好的為中***熱電技術的發展提供設備支持和技術服務。

參考文獻

[1] Qin Bingchao et al., Power generation and thermoelectric cooling enabled by momentum and energy multiband alignments, Science 30 Jul 2021: Vol. 373, Issue 6554, pp. 556-561

[2] Liu Dongrui et al., Lattice plainification advances highly effective SnSe crystalline thermoelectrics, Science 380, 841–846 (2023)

[3] Qin Yongxin et al., Grid-plainification enables medium-temperature PbSe thermoelectrics to cool better than Bi2Te3, Science 383, 1204–1209 (2024)

[4] Jia Baohai et al., Pseudo-nanostructure and trapped-hole release induce high thermoelectric performance in PbTe, Science 384, 81–86 (2024)

(文章來源于儀器網)