全球对化石燃料以外替代能源资源的需求由于其消耗的耗竭和环境影响而被放大。最近的评估发现,在能源转化步骤中,全球72%的全球能源消耗损失。1,重大损失被指定为废热,需要回收以提高全球能源可持续性。因此,热电(TE)材料通过将废热转换为电力并作为无噪声和无噪声的固态冷却器来使其成为一种可持续和可靠的能源引起了极大的兴趣。2热电效率取决于功绩的无量纲热电图,ZT = A2σT /κ,其中a,σ,T和κ分别是Seebeck系数,分别是电导率,绝对温度和总导电性。3材料的热电效率可以通过
热电材料经过几十年的发展,在理论和实验上都取得了长足的进步。随着热电性能的不断提高,材料中引入的缺陷也日趋复杂,为了优化热电性能,在热电材料中引入了零维点缺陷、一维线缺陷、二维面缺陷和三维体缺陷。考虑到各类缺陷的不同特点,深入了解它们在热电输运过程中的作用至关重要。本文对不同类型的缺陷对能带结构、载流子和声子的输运行为等缺陷相关的物理影响进行了分类和总结,并总结了缺陷的实验表征和理论模拟的最新成果,以便准确确定用于热电材料设计的缺陷类型。最后,基于目前的理论和实验成果,综述了利用多维缺陷优化热电性能的策略。
对可持续清洁能源的需求推动了热电 (TE) 材料的发展,这种材料可将热能直接转化为电能并实现分布式冷却。[1–3] 能量转换效率通过无量纲性能系数 zT = S 2 σ T / ( κ ele + κ lat ) 来衡量,其中 S 、σ 、T 、κ ele 和 κ lat 分别为塞贝克系数、电导率、绝对温度、电子热导率和晶格热导率。[4–8] 尽管 zT 的表达式看起来很简单,但增加其值却是一项艰巨的任务。具体而言,虽然在半导体中通常获得较高的 S,但在金属中会发现较大的 σ ,而在非晶态材料中会实现较低的 κ lat 。[6,9] 这已经表明优化要求很复杂。显然,相关优化参数 S 、 σ 和 κ ele 紧密相关。这阻碍了 zT 的改善和优质热电材料的识别。因此,
已经使用了第一个原理计算与半古典玻尔兹曼理论相结合的第一原理计算研究了间质氮(N)掺杂石墨烯的热电特性。我们发现,与原始石墨烯以及ZT值相比,N掺杂石墨烯的Seebeck Coeffi Cient是3和5.5倍。在室温下,对于原始石墨烯而言,ZT值为0.81,而N-掺杂石墨烯的ZT值分别上升到0.98和1.00,分别为6.25%和50%的氮掺杂。N掺杂石墨烯的Seebeck系数的增加是由于有效质量带的增加所致,因为化学电势升至最小传导带。我们观察到N掺杂的石墨烯在正能范围内表现出最高的ZT值,表明P型特征。我们的发现表明,N型石墨烯具有热电应用的有希望的潜力,并提供了对掺杂石墨烯材料热电特性的基础物理学的见解。
基于钛酸盐的陶瓷由于其低成本以及高热和化学稳定性而有希望的N型热电学。在这里,用电化学生产的氧化石墨烯(EGO)和市售的碳黑色(CB)的碳添加碳添加了SRTI 0.85 Nb 0.15 O 3。陶瓷样品在还原的气氛下在1700 K处烧结。XRD,HR-TEM和Raman Spectra证实基质相为立方perov-Skite。没有碳残留。通过掺入氧化石墨烯,由于载流子迁移率增强,电导率在300 K时在300 K下增加了9倍至2818 s cm-1。相比之下,碳黑色样品表现出低密度和较小的平均晶粒尺寸约为1μm。高分辨率的X射线光电子光谱显示出碳黑色样品中存在大量电离杂质,从而显着增强了散射效应。在873 K处实现了1.7 W m -1 K -1的低热电导率。该工作表明,自我促进了SRTIO 3中的电荷运输,而CB则显着抑制了声子的传输。这两种影响与其他热电学的发展有关。
自供电可穿戴电子设备需要热电材料同时具有高的无量纲性能系数(zT)和良好的灵活性,以便将人体排出的热量转化为电能。Ag2(S,Se)基半导体材料可以很好地满足这些要求,因此,它们最近在热电界引起了极大的关注。Ag2(S,Se)结晶为正交结构或单斜结构,具体取决于具体的S/Se原子比,但其晶体结构与机械/热电性能之间的关系迄今为止仍不清楚。在本研究中,制备了一系列Ag2Se1‐xSx(x=0、0.1、0.2、0.3、0.4 和 0.45)样品,并系统地研究了它们的机械和热电性能对晶体结构的依赖性。 Ag 2 Se 1-x S x 体系中 x = 0 : 3 被发现是正交结构和单斜结构之间的过渡边界。力学性能测量表明,正交 Ag 2 Se 1-x S x 样品易碎,而单斜 Ag 2 Se 1-x S x 样品延展性好且柔韧。此外,在相当的载流子浓度下,正交 Ag 2 Se 1-x S x 样品比单斜样品表现出更好的电传输性能和更高的 zT,这很可能是由于它们的电子-声子相互作用较弱。这项研究为柔性无机 TE 材料的进一步发展提供了启示。
其中,S 为塞贝克系数,σ 为电导率,κ 为热导率,T 为绝对温度。ZT 用于比较热导率不同材料的热电性能。而功率因数(PF = S2σ)则比较热导率相近材料的热电效率。[1–7] 目前,Bi 2 Te 3 、PbTe 和 SiGe 等无机化合物占据热电市场主导地位。[8–12] 然而,这些化合物的使用存在若干缺点,例如毒性、原材料稀缺、成本高和不可持续。因此,人们对寻找可替代的可持续、高度丰富、低成本和无毒的材料有着浓厚的兴趣。有机半导体(例如:导电聚合物、碳质材料和纳米复合材料)由于其优越的性能(例如可用性、低热导率、易于化学改性和大规模生产)而提供了一种新兴的替代方案。通过掺杂 PEDOT 来提高导电聚合物的热电性能,可使 ZT 值达到 0.2–0.4。[13] 碳纳米结构,特别是碳纳米管 (CNT) 在通过以下方法制备的多层系统中表现出优异的热电行为
Verzola,I。M. R.,Villaos,R。A.B.,Purwitasari,W.,Huang,Z.,Hsu,C.,Chang,G.,Lin,H。&Chuang,F。(2022)。范霍夫奇异性的预测,出色的热电性能和单层rhenium dialcogenides中的非平凡拓扑。Today Communications,33,104468-。https://dx.doi.org/10.1016/j.mtcomm.2022.104468https://dx.doi.org/10.1016/j.mtcomm.2022.104468
基于方平面过渡金属配合物(如 MO 4 、M(NH) 4 和 MS 4 ,M = 金属)的 2D 共轭配位聚合物 (cCP) 是一类新兴的(半)导电材料,在超级电容器、催化和热电应用中具有重要意义。寻找高性能镍氮 (Ni-N) 基 cCP 薄膜的合成方法是一项长期挑战。本文开发了一种通用的、动态控制的表面合成方法,可产生高导电性的 Ni-N 基 cCP 薄膜,并研究了热电性能与分子结构的关系及其与周围大气相互作用的依赖性。在所研究的四种具有不同配体尺寸的 cCP 中,六氨基苯和六氨基三菲基薄膜在这种 Ni-N 基 cCP 系列中表现出创纪录的电导率(100-200 S cm –1 ),比之前报道的高一个数量级,并且其热电功率因数在报道的 2D cCP 中最高,可达 10 μ W m –1 K –2。研究了这些薄膜的传输物理,结果表明,根据主客体与氧/水的相互作用,可以很大程度上调节多数载流子类型和塞贝克系数的值。高电导率可能反映了(小)有序畴与支持无序金属传输的晶界之间的良好互连性。
摘要:热电材料早已被证明能有效地将热能转化为电能,反之亦然。自从半导体被用于热电领域以来,人们做了大量工作来提高它们的效率。它们的热电物理参数(塞贝克系数、电导率和热导率)之间的相互关系需要特殊的调整,才能最大限度地提高它们的性能。在开发热电性能的研究中,已经报道了各种方法,包括掺杂和合金化、纳米结构和纳米复合。在不同类型的热电材料中,层状硫族化物材料是具有独特性能的独特材料。它们具有低的自热导率,并且它们的层状结构使它们易于修改以提高其热电性能。在这篇综述中,提供了热电概念的基本知识以及提高性能系数的挑战。文中简要讨论了不同组层状硫属化物热电材料的结构和热电性能。文中还介绍了文献中用于提高其性能的不同方法以及该领域的最新进展。文中重点介绍了石墨烯作为层状硫属化物材料基质的有前途的纳米添加剂,并展示了其对提高其性能系数的影响。