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      English  |  上海硅酸鹽所  |  中國科學院  
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    上海硅酸鹽所在半赫斯勒熱電材料與器件研究方面獲得突破
    發布時間:2021-01-11

      熱電發電技術能夠將熱能直接轉化為電能輸出,在廢熱回收、深空探測等領域具有不可替代的作用。半赫斯勒(Half-Heusler熱電材料具有良好的熱電性能和優異的機械性能,是最具商業化應用前景的中高溫熱電材料之一。但該類材料在小批量合成時面臨重復性與穩定性等問題,同時針對性的器件結構設計與集成工藝尚不成熟,目前半赫斯勒材料熱電器件的實際轉換效率遠落后于基于實驗室材料性能的理論值。    

      最近,中國科學院上海硅酸鹽研究所陳立東研究員、柏勝強研究員和劉睿恒副研究員帶領的科研團隊與浙江大學朱鐵軍教授團隊合作,針對中高溫半赫斯勒熱電材料和器件開展了一系列工作,采用激光誘導自蔓延的方法實現了該材料的宏量制備與性能優化,同時結合有限元仿真對器件結構進行了精確設計優化,成功研制了單級Half-Heusler器件與雙段Half-Heusler/ Bi2Te3器件,分別打破了目前報道的同等溫度條件下單級和兩級熱電器件轉換效率的記錄。相關成果相繼發表于J. Mater. Chem. A, 2018, 6, 19470-19478Energy & Environmental Science, 2019, DOI:10.1039/C9EE02228G。激光誘導自蔓延合成技術獲授權中國發明專利1(專利號:ZL 201710585659.1),相關工作第一作者為上海硅酸鹽所2015級直博生邢云飛。     

      團隊研究了半赫斯勒材料的自蔓延反應機理與合成方法, 發現nMNiSn (M: Ti, Zr, Hf)pMCoSb (M: Ti, Zr, Hf)兩類半赫斯勒化合物具備較高的反應能量,可以實現自蔓延反應的穩定自持?;谶@一結論,采用激光誘導自蔓延的方法實現了nZr0.5Hf0.5NiSn0.985Sb0.015pZr0.5Hf0.5CoSb0.8Sn0.2材料單個樣品200克以上的宏量合成,宏量制備的材料ZT值最高分別達1.070.92,與傳統熔融工藝制備的實驗室小樣品相當。 

      在宏量制備的高性能材料基礎上,團隊采用三維有限元方法對半赫斯勒熱電器件拓撲結構(包括高度截面積比H/Apn、截面積比Ap/An、不同熱電材料高度比HHH/HBT)進行了優化。最終獲得的單級Half-Heusler器件在666 K溫差下轉換效率達9.6%,為目前報道的單級器件最高值;同時研制的雙段Half-Heusler/ Bi2Te3熱電器件在698 K溫差下轉換效率達12.4%,打破了目前報道的雙段熱電器件的記錄。    

      以上一系列研究工作貫通了從材料優化、批量合成、器件設計與集成制造的全鏈條技術,為其他新型熱電材料提供了可參照的范例,有助于加速熱電器件的工業化應用進程。     

      該項研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、國家杰出青年科學基金、中國科學院青年創新促進會等的資助和支持。    

    自蔓延宏量制備過程與大樣品熱電性能。 

    該工作中的Half-heusler單級熱電器件和Half-heusler/ Bi2Te3雙段器件在不同溫差下測得的最大轉換效率以及與文獻報道值對比。 

     
     
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