Cu2Te基热电材料的制备及性能优化

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热电材料可以将热能和电能相互转换,在余热发电和绿色制冷方面有重要的应用前景。铜基热电材料具有热电性能高,原材料来源广泛、经济等优点,在热电材料的开发中备受瞩目。铜硫族化合物(Cu2S、Cu2Se和Cu2Te)属于铜基热电材料,与Ag2-xM(M=Se,Te)和Ag Cr Se2等一样,均有低热导率,是一类重要的热电材料。Cu2Te是一种超离子导体,其可移动的铜离子易于在晶格内迁移,属于“声子液体-电子晶体”类材料。但是Cu2Te的载流子浓度较高导致Seebeck系数和ZT值较低。因此控制铜离子迁移,优化载流子浓度是提高其热电性能的重要手段。本文以Cu2Te材料为基础,采用固相法,将真空封管与煅烧法相结合来制备样品,通过Ag、Fe离子和Te空位分别调控铜离子迁移、载流子浓度和热导率提高ZT值。首先,探究Ag元素掺杂对材料热电性能的影响。研究表明当Ag、Cu和Te元素的摩尔比为1:1:1时,Ag Cu Te材料的功率因子最大,在~573 K时达到~1.03m Wm-1K-2,电输运性能的循环稳定性良好,其最高ZT值为~0.62。其次,Fe元素分别掺杂在AgCuTe的Cu位和Ag位,得到Ag Cu1-xFexTe(x=0.02-0.1)和Ag1-xFexCu Te(x=0.02-0.1)。Fe元素掺杂有利于优化载流子浓度,提高Seebeck系数和功率因子。当x=0.03时,Ag Cu0.97Fe0.03Te的功率因子达到~1.15 m Wm-1K-2,比Ag Cu Te的功率因子提高11.6%,热导率小幅度降低,从而使其ZT值在573 K时提高至~0.82。对比两组掺杂样品的ZT值,Fe在Cu位掺杂样品即Ag Cu1-xFexTe(x=0.02-0.1)的热电性能更好。最后,在AgCu0.97Fe0.03Te的基础上引入Te空位,试图增加声子散射,降低热导率来提高其热电性能。结果表明,虽然Ag Cu1-xFexTey(x=0.03,y=0.98-0.9)的功率因子有所下降,但是热导率大幅度降低,其中Ag Cu0.97Fe0.03Te0.96的热导率最低,在~573 K时为~0.314 Wm-1K-1,从而使其ZT值高达~1.17,明显高于Ag Cu Te和Ag Cu0.97Fe0.03Te,证明了Fe掺杂和Te空位的综合作用对其热电性能的提升效果显著,该体系最佳载流子浓度范围在1020cm-3附近。
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