黄铜矿结构CuGaTe2材料的热电输运性质研究

来源 :中国石油大学(北京) | 被引量 : 0次 | 上传用户:tyb798229
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热电材料是一类可以将电能和热能进行相互转换的特殊功能材料,可以缓解目前日益严重的能源危机和环境污染问题,但热电器件的转换效率较低限制了其应用,因此提高材料的热电优值一直是该领域的研究重点。CuGaTe2基热电材料是一种无毒的、环境友好的中温区p型热电材料,本文以黄铜矿结构的CuGaTe2作为研究对象,通过第一性原理计算结合实验探究的方法研究了p型CuGaTe2的电子结构和热电输运性质,主要获得了以下研究成果:(1)计算了p型CuGaTe2的电子结构和热电性质,分析了不同的计算方法得到的能带结构,发现其中MBJ+U方法计算的带隙值更接近实验值;通过计算电子态密度,发现在Ga位掺杂几乎不会影响CuGaTe2的能带结构,只调节其载流子浓度;计算了CuGaTe2的电输运特性,结果表明最佳载流子浓度较高,且700K时的功率因子略大于900K时的功率因子。(2)计算了CuGaTe2的声子结构和晶格热导率,结果表明CuGaTe2的晶格热导率主要源自声子-声子Umklapp散射,计算了CuGaTe2最小晶格热导率为0.46 W m-1 K-1,同时对CuGaTe2的z T值进行了预测,发现降低晶格热导率可以显著增加CuGaTe2的z T值。(3)对CuGaTe2基热电材料进行了实验探究,研究了CuGaTe2基热电材料的SPS烧结工艺,确定了最佳工艺为773K-50Mpa;实验表明形成Cu1-xAgxGa Te2固溶体可以在一定程度提高塞贝克系数和电导率,同时大幅降低晶格热导率,使z T值得到很大提升,其中Cu0.8Ag0.2Ga Te2和Cu0.7Ag0.3Ga Te2的最大z T值在820K时可以达到1.0左右,比纯相0.65提高53%;通过引入Cu空位缺陷可以提高CuGaTe2的载流子浓度,优化其电学性能,同时可以降低晶格热导率,其中Cu0.94Ga Te2的最大z T值可以达到0.7。
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