Ag/Na双掺杂和Ag8SnSe6纳米化实现高性能的多晶SnSe热电材料

热电能源转换技术可实现电能和热能的直接相互转化，且具有安静、可靠、易维护和绿色环保的优点，在工业余废热的回收应用、光热复合发电、热电制冷等场合具有重要的应用前景。该技术的能源转化效率取决其核心材料的热电优值ZT。因此，发展高ZT热电材料是促进该技术进一步发展和规模化应用的重要前提。

硒化锡（SnSe）具有优异的热电性能和丰富的原料储备，因而受到科研工作者的广泛关注，是一类具有重要应用前景的环保型中温热电材料。然而，单晶材料的生产周期长、成本高、机械性能差，难以工业化应用。如何获得更具应用价值的高性能多晶SnSe热电材料成为当前研究的热点。

近日，新加坡南洋理工大学的颜清宇教授（点击查看介绍）（通讯作者）和美国西北大学Mercouri G. Kanatzidis教授（点击查看介绍）（通讯作者）课题组的研究人员通过Ag/Na双阳离子掺杂和原位析出Ag₈SnSe₆纳米相的途径成功获得了高性能的SnSe基多晶热电材料。他们发现施主型Ag/Na双掺杂可有效提高SnSe的载流子浓度至4.5×10¹⁹ cm^-3（图1a），从而获得高电导率。同时，Ag/Na双掺杂更好地促进了SnSe的价带收敛（图1b、1c），确保了材料的高塞贝克系数。同时，他们还在样品中观察到大量、弥散分布的Ag₈SnSe₆纳米相（图2）。这些原位析出的纳米第二相的平均尺寸约20~60纳米，可散射具有相当波长的声子；且Ag₈SnSe₆本身在300-800 K范围内具有低热导率（~0.2 Wm^-1 K^-1），可有效阻碍材料中的热传播。基于此，他们实现了SnSe材料的电、热输运去耦化调控，切实提高了SnSe材料的热电性能（图3）。其中，Sn_0.99Na_0.01Se-1 mol% Ag₈SnSe₆材料在300 K时的功率因子约为4.4 μWcm^-1 K^-2，约为纯SnSe材料的24倍（图3a）；该材料在773 K时的晶格热导率约为0.32 Wm^-1 K^-1，相比于纯SnSe材料降低了~20%（图3b）；该材料的ZT值在823 K时可达~1.33，约为纯SnSe材料的2倍（图3c）。同时，该材料在423-823 K范围内的平均ZT值可达0.91，表现出极大的应用潜力。该研究揭示了有效提高多晶SnSe材料热电性能的途径，为该材料的进一步发展提供了可能的研究思路

图1.（a）材料的室温载流子浓度（STSe为Ag₈SnSe₆的缩写）；（b）SnSe的能带结构；（c）掺杂后SnSe各价带顶间的能量差。

图2. SnSe-1 mol% Ag₈SnSe₆材料的微观结构表征。

图3. 材料的功率因子（a）、热导率（b）和热电优值ZT（c）随温度的变化关系。

相关成果近期发表在Advanced Energy Materials 上，文章的第一作者是南洋理工大学的博士后罗裕波。

该论文作者为：Yubo Luo, Songting Cai, Xia Hua, Haijie Chen, Qinghua Liang, Chengfeng Du, Yun Zheng, Junhua Shen, Jianwei Xu, Chris Wolverton, Vinayak P. Dravid, Qingyu Yan, Mercouri G. Kanatzidis

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

High thermoelectric performance in polycrystalline SnSe via dual-doping with Ag/Na and nanostructuring with Ag₈SnSe₆

Adv. Energy Mater., 2018, DOI: 10.1002/aenm.201803072

导师介绍

颜清宇

https://www.x-mol.com/university/faculty/52106

Mercouri G. Kanatzidis

https://www.x-mol.com/university/faculty/381

课题组链接

http://chemgroups.northwestern.edu/kanatzidis/