中青在线:《Science》刊发北航赵立东教授成果 热电能源材料研究取得重大突破
2015-11-28
 
《中国青年报》网站中青在线”20151127日报道:
Science》刊发北航赵立东教授成果 热电能源材料研究取得重大突破
中青在线讯(中国青年报·中青在线 记者原春琳)1126日,《Science》在线发表了北京航空航天大学赵立东教授等学者在热电能源材料硒化锡应用方面的重大突破性研究成果——应用硒化锡独有的特殊电子能带结构和多谷效应,可以将其在300-773K宽温区范围内的热电性能大幅提高,从而使硒化锡在国际新能源领域的实际应用迈出了关键一步。
据介绍,热电转换技术是一种利用半导体材料直接将热能与电能进行相互转换的技术。随着环境保护形势的日益严峻,研究和开发清洁能源已成为全球科学研究的重点领域。其中,热电转换技术凭借系统体积小、可靠性高、不排放污染物质、适用温度范围广等特点,被重点关注。同时由于热电转换系统是深空探测器和航天探测器上不可取代的可靠电源,全球航天强国无不在这一领域全力投入,以致近年来在全球范围内掀起了热电能源材料的研发热潮。
热电转换效率是衡量热电材料性能的关键指标,它主要取决于材料的性能优值ZT。由于几个热电参数之间存在复杂的互动关系,使得实现高热电优值ZT 成为一个巨大的挑战。同时从热电材料研究和应用的大趋势来看,还需要兼顾资源储量和环境兼容性。
即便以目前最好的中温区热电材料碲化铅 (PbTe) 来说,从资源储量碲 (Te) 和环境兼容性铅 (Pb) 等因素考虑,碲化铅体系也不具有很强的生命力。研发一种理想的热电能源材料,使之同时具备性能优异、储量丰富且环境友好等条件要素,成为长期困扰热电研究学者的难题。
赵立东教授在美国西北大学从事博士后研究期间,开发了颇具潜力的硒化锡热电材料。他意识到这是一种非常有潜力的优秀热电能源材料,但是受制于其较弱的导电性能,导致硒化锡长期被热电领域所忽视。
怎么样才能改善硒化锡的导电性能?考虑到硒化锡的层状晶体结构,赵立东大胆地猜想在其层面内可能具有不错的导电性能,并开始尝试制备硒化锡单晶。研究结果恰好符合了预期。
赵立东的这一发现迅速在国际学术界引起了广泛关注,并很快被西班牙马德里材料科学研究所和美国橡树岭国家实验室的学者通过实验分别证实。
尽管前期初步研究结果表明硒化锡是一种很有发展潜力的块体热电材料,但还存在另一关键问题亟待解决:赵立东发现硒化锡材料在300-773K温度范围内ZT值很低,这一点严重限制了硒化锡在300-773K这一重要温度区间的使用。
此时,赵立东已入选国家青年千人计划,并回国成为北京航空航天大学材料学院的教授,同时还担任北航国际交叉科学研究院热电能源材料研究室主任。
在北航的深入研究期间,赵立东教授经过持续的深入思考和无数次反复推导,基本确定整体提高硒化锡的热电优值ZT的思路,只能是提高硒化锡的导电性和温差电动势,以求获得300-773K温度范围内较高的电传输性能。
他认识到,利用能带结构是调控热电材料的导电性和温差电动势的有效方法。他发现硒化锡的电子带结构更加复杂,多个价带的能量距离很小。当费米能级已经进入4价带甚至接近56价带,这时就可实现多个价带同时参与电传输。
赵立东对这一现象做了一个形象的类比:一条高速公路上有无数拥挤的车辆时,车辆行驶的会非常缓慢;但把同样数量的车分配到6条高速公路后,车不但行驶的快而且在单位路面上通过的车量也会增多。
通过这一移动费米能级的巧妙方法,不但可以保持相对较高的载流子迁移率,还使得温差电动势提高了5倍,可以让硒化锡材料在整个温度区间的热电优值ZT得到大幅提升——300-773K温度区间的ZT值从0.1-0.9提高到0.7-2.0。这个结果意味着开发一种同时具备性能优异、储量丰富而且环境友好的热电能源材料已成为可能。
此次《Science》在线发表的论文《Ultra-high power factor and thermoelectric performance in hole doped single crystal SnSe》,赵立东为第一作者和共同通讯作者。除了北航之外,合作单位还包括美国西北大学、南方科技大学、美国密西根大学和美国加州理工学院。