熱電能源材料研究領域取得新進展

人民網北京12月31日電 (記者趙竹青)據國家自然科學基金委員會網站消息，北京航空航天大學趙立東教授率領其團隊，在熱電能源材料研究領域取得新進展，太原科技大學宿力中教授團隊參與此項工作。相關研究成果以“擴展硒化錫Cmcm相的溫度區間實現優異熱電性能”為題，于2025年12月19日發表于《Science》雜志上。

能源是人類社會賴以生存及社會發展的重要物質基礎，然而在使用過程中約有超過50%的能量以廢熱的形式浪費掉，若能將這些熱能回收并轉成電能，將產生深遠影響。熱電技術可將熱能和電能進行直接轉換，可基于塞貝克效應實現溫差發電，又可基于珀爾帖效應實現熱電制冷，在深空探測電源、集成電路熱管理等關鍵領域具有重要應用價值。熱電材料的轉換效率主要由其無量綱熱電優值(ZT= (S2σ/κ) T)所決定。在給定溫度T下，高效熱電材料應具備：大塞貝克系數 S(以產生大的溫差電壓)、高電導率σ(以減少焦耳熱損耗)以及低熱導率κ(以維持大的溫差)。然而，這些熱電參數之間的復雜耦合關系限制了ZT值的提升。

硒化錫(SnSe)的層狀低對稱晶體結構為解耦熱電參數間的復雜耦合關系提供了可能。SnSe在~800 K會經歷由Pnma相到Cmcm相的相變，即~800 K為Cmcm相。此前的研究都聚焦于Pnma相SnSe晶體，然而其具有更高對稱性的Cmcm相的熱電性能的潛力仍未被開發，同時，基于N型SnSe晶體面外方向的熱電器件研究仍為空白。該工作聚焦于高對稱Cmcm相N型SnSe晶體，通過大比例固溶高對稱相(立方相PbSe)拓寬了Cmcm相的溫度穩定范圍。同時，Cmcm相N型SnSe晶體的局域晶格對稱性的提升，顯著增強了其“2D聲子/3D電荷”傳輸特性：(1)提升的晶格對稱性有效降低了Cmcm相SnSe晶體的形變勢，在態密度有效質量(md*)和載流子濃度(nH)顯著增大的同時優化了載流子遷移率(μH)，促進了“3D電荷”傳輸；(2)Pb元素的引入在帶來應力的同時軟化了晶體中的鍵合作用，從而降低了晶格熱導率，增強了“2D聲子”散射。最終在673~923 K的溫度范圍內獲得了優異的寬溫域熱電性能，該溫域內平均ZT可達~3.0(ZTave~3.0)。此外，本工作搭建了基于N型SnSe晶體的熱電器件并表現出卓越的熱電轉換效率，在572 K的溫差下其單臂熱電器件實現了 ~19.1%的發電效率。該工作揭示了N型SnSe晶體在溫差發電領域的巨大潛力，也為優化其他低對稱熱電材料體系的熱電性能提供了新的思路。