[发明专利]基于晶体拓扑实现粉末合金烧结相变的五元系n型热电材料与制备方法

说明书

本发明涉及基于晶体拓扑实现粉末合金烧结相变的五元系n型热电材料与制备方法。本发明所述n型热电材料的化学式为Bi_2‑x‑ySb_xS_yTe_3‑zSe_z，其中，0.74≤x≤1.2，0.04≤y≤0.06，0.2≤z≤0.45。与其他n型热电材料相比，本发明所述五元系n型热电材料在制备过程中经历p型合金→p型粉末合金胚料→n型热电材料的转变，最后获得的五元系n型热电材料具有Seebeck系数高、电导率高、导热系数低、ZT值高，热电性能优异的优点。

技术领域

本发明涉及热电材料领域，具体而言，涉及基于晶体拓扑实现粉末合金烧结相变的五元系n型热电材料与制备方法。

背景技术

热电材料(thermoelectric material)是一种利用固体内部载流子运动实现热能和电能直接相互转换的功能材料。人们对热电材料的认识具有悠久的历史。早在19世纪早期，德国人塞贝克(Seebeck)发现了材料两端的温差可以产生电压，也就是通常所说的温差电现象。法国人珀耳帖(Peltier)发现当有电流流过时在两种不同导体的边界附近所观察到的温差反常的论文。这两个现象表明热可以致电，而同时电反过来也能转变成热或者用来制冷，分别被命名为塞贝克效应和珀耳帖效应。它们为热电能量转换器和热电制冷的应用提供了理论依据。

随着工业水平的迅速发展，能源短缺的问题日趋严重，寻找一种可持续清洁能源迫在眉睫。在众多的新能源中，热电材料制成的器件既可以用于热电发电，也可以用于热电制冷，在应用时不需要使用传动部件，具有体积小、质量轻、工作时无噪音等诸多优点。最为重要的是，热电材料不会造成任何环境污染，使用寿命长，且易于控制。因此，热电材料具有广泛的应用前景和巨大的使用价值。

然而，现阶段热电材料的应用仍然备受限制，其主要原因在于：

(1)热电材料的热电性能差、热电转换效率不高

热电材料的热电性能由无量纲热电优值ZT决定(ZT＝α²T/(κρ)，其中α为Seebeck系数、ρ为电阻率、κ为导热系数，由晶格导热系数和电子导热系数两部分组成、T为绝对温度，α2σ称为功率因子)。ZT越大，材料的热电转换效率越高。由上述方程式所显见；为了改善热电转换材料的性能，需要提高塞贝克系数α或或降低导热系数κ和电阻率ρ。

现行提高材料热电性能的方法主要有两种：提高材料的电导率或降低材料导热系数。

目前，提高电导率的方法，主要通过施主掺杂的方式在n型材料中掺杂Se或TeI₄、CuI、AgI、CuBr等卤素化合物类的施主杂质，或者通过受主掺杂的方式，在p型材料中掺杂Sb、Al、Cu、Ag等金属元素受主杂质来增加载流子浓度和迁移率，虽然能有效地降低了电阻率，但也导致载流子的热运输显著增强，使材料导热系数也明显增大，同时，高的载流子浓度和迁移率必将导致Seebeck系数的降低。

而目前降低导热系数的方法通常有粉末冶金法、纳米微米化、薄膜化。虽然能获得较高的Seebeck系数和较低的导热系数，但都不同程度增大电阻率，最终导致ZT值较低。另外，材料纳米微米化、薄膜材料制备需要水热反应/溶剂热反应设备、熔体甩带设备、电化学沉积、MOCVD或分子束外延等设备，后续还需真空热压烧结或放电等离子(SPS)烧结等设备，需要昂贵的设备投入和运行成本，且无法连续稳定地进行大批量生产，目前主要存在于实验室和科研领域，不具有实用性和商业价值。