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單晶和熔融淬火高密度Cu2-xSe塊材的優(yōu)異本征熱電性能

更新時(shí)間:2020-11-19點(diǎn)擊次數(shù):2155

【引言】

由于我們?nèi)找鎳?yán)重的環(huán)境問題和能源危機(jī),高溫?zé)犭姡═E)技術(shù)對(duì)于可持續(xù)和環(huán)保的清潔能源供應(yīng)越來越重要。當(dāng)結(jié)上形成溫度梯度時(shí),熱能可以直接轉(zhuǎn)化為電能。

【成果介紹】

高溫?zé)犭姴牧系闹苽涑杀靖?、工藝?fù)雜,部分阻礙了其實(shí)際應(yīng)用。在這項(xiàng)工作中,我們提出了熱電材料的另外兩個(gè)重要特性:高晶體對(duì)稱性和同相熔融。通過對(duì)Cu2-xSe的晶體結(jié)構(gòu)和Cu-Se二元相圖的分析,我們認(rèn)為新近發(fā)現(xiàn)的Cu2-xSe熱電材料,其品質(zhì)因數(shù)zT大于1.5at(1000K),理論上滿足這些要求。采用激光閃光法(LINSEIS LFA 1000)測(cè)量了熱擴(kuò)散系數(shù)(D)。我們發(fā)現(xiàn)其優(yōu)良的熱電性能是固有的,對(duì)晶粒度的依賴性較小,而高密度的樣品可以通過熔體淬火的方法很容易地制備出來。我們的結(jié)果顯示,熔融淬火樣品和單晶的熱電性能幾乎相同,在973 K的溫度下zT高達(dá)1.7–1.8。我們的發(fā)現(xiàn)不僅為具有優(yōu)異熱電性能的高密度Cu2-xSe塊體提供了一種廉價(jià)、快速的制備方法,為Cu2-xSe在實(shí)際熱電模塊中作為一種優(yōu)良的元件實(shí)現(xiàn)商業(yè)化鋪平了道路,同時(shí)也為尋找具有高晶體對(duì)稱性的新型熱電系統(tǒng)或進(jìn)一步提高其他現(xiàn)有同成分熔融熱電材料的性價(jià)比提供了指導(dǎo)。

【圖文導(dǎo)讀】

圖1:(a) 銅硒系統(tǒng)的二元相圖。插圖所示為高溫b相Cu2-xSe的3D單元。

(b) 高溫b相Cu2-xSe的單胞分別朝向(100)和(111)平面觀察。

 

圖2:制備樣品的X射線衍射圖:(a) 用改進(jìn)的Bridgman法生長Cu2-xSe單晶。(b) 水淬Cu2-xSe。(c) 淬火Cu2-xSe。(d) 低溫a相Cu2-xSe的標(biāo)準(zhǔn)XRD峰。

 

圖3:樣品的FE-SEM圖像:(a, b)單晶的表面和截面圖像。插圖顯示了Cu, Se單晶的光學(xué)圖像。水淬Cu2-xSe的斷面圖像 (c) 。內(nèi)部(d)和近表面(e)淬火Cu2-xSe塊的圖像。(f) e圖中A區(qū)的放大圖像。

 

圖4:單晶和超快速成形Cu2-xSe塊體熱電輸運(yùn)性質(zhì)的溫度依賴性:

(a) 電阻率(r),(b) 塞貝克系數(shù)(S),(c) 總熱導(dǎo)率(k),(d) 晶格熱導(dǎo)率(k L),(e) 功率因數(shù)(PF),以及(f) 熱電優(yōu)值(zT)。

 

【結(jié)論】

結(jié)果表明,快速熔體淬火法能很好地制備出具有優(yōu)良TE性能的高密度Cu2-xSe塊材,973k時(shí)zT<1.7,該方法也適用于其它類型的同熔TE材料。值得注意的是,由于熔體淬火只需少量的時(shí)間,因此可以顯著降低單位時(shí)間的制造成本。我們也有提出了銅離子的立方晶對(duì)稱性和液態(tài)性,使Cu2-xSe表現(xiàn)出*的TE性能。我們的研究結(jié)果為Cu2-xSe作為TE模塊中的優(yōu)良組分的商業(yè)化鋪平了道路,也為尋找新的各向同性TE體系或進(jìn)一步提高其他同成分熔融TE材料的性價(jià)比提供了指導(dǎo)。

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