新型类液态硫银锗矿族化合物热电性能研究

发布时间：2020-06-05 05:21

【摘要】：热电技术能够实现电能和热能的相互转换,并具有无传动部件、高服役可靠性的特点,因而广泛应用于空间发电和各种制冷领域。特别是在过去几十年,由于全球能源危机和环境污染的加重,热电技术应用于汽车尾气发电以及钢铁厂等的低品位废热回收。热电技术的研究重点是获得具有高热电优值的热电材料,本论文在“声子液体-电子晶体”概念指导下,探索具有高热电性能的新型硫银锗矿族化合物。以Cu_8GeSe_6和Ag_9GaSe_6两种化合物作为研究对象,表征热电性能,分析电热输运机制,探寻结构与性能之间的关系,并通过对结构和输运参数的调控来优化热电性能。本论文主要取得以下创新性成果:1、发现Cu_8GeSe_6化合物是一种具有本征低热导率的新型热电材料,其zT值在700K时达到0.55。在非快离子导体相中,铜离子与[GeSe_6]框架之间存在的弱化学键能够在材料中引入大量非简谐振动的低频光学支声子,阻碍正常声子的传播,从而导致其本征低的晶格热导率。在快离子导体相中,低的晶格热导率得益于铜离子强烈的类液态效应,这种类液态效应能够强烈地散射声子,使得部分横波声子发生软化,从而有效的降低晶格热导率。2、通过在Cu_8GeSe_6中固溶Te,发现了一种全新三方相硫银锗矿结构。晶体结构的改变极大提高了材料的电性能,优化的电性能导致材料的zT值提升到0.9。进一步地,通过在Cu位固溶Ag,明显增加了点缺陷的数量,对高频声子产生强烈的散射,从而有效降低了材料晶格热导率,使得zT值达到了1.07。3、发现Ag_9GaSe_6化合物是一种高性能的n型热电材料,zT值在800K时达到1.1。对其电输运机制的研究表明,高度色散的导带底导致了其非常高载流子迁移率。对其热输运机制的研究表明,Ag离子非常强烈的类液态效应能够消除部分横波声子振动模式,导致其定容热容明显低于固体材料的理论热容。通过对Ag离子有序结构的计算,发现Ag离子特殊的成键方式和化学环境导致了大量低频非谐振动的产生,引起了低频区间较大的光学支声子态密度,从而强烈阻碍声学支声子的传输,这是材料具有极低的晶格热导率的重要原因。4、通过在Ag_9GaSe_6的Se位引入少量的Se空位,极大提高了材料的电导率,由于电导率的提高,样品的zT值在800K时达到1.3。在Se空位调节载流子浓度的基础上,在Se位进一步固溶Te能够在材料中引入大量的点缺陷,增强对声子的散射,从而降低材料的晶格热导率,材料的zT值在850K时达到1.6,是目前n型类液态材料中的最高值。同时通过测试材料在大电流条件下的电阻变化,表征了其大电流下的稳定性,发现Te的固溶能够有效提高材料在大电流下的服役稳定性。
【图文】：

图 2.1 （a）泽贝克效应和（b）帕尔贴效应示意图。Fig. 2.1 Schematic diagram of (a) Seebeck effect and (b) Peltier effect.

4 中国科学院上海硅酸盐研究所博士学位论文图 2.2 热电模块示意图。Fig. 2.2 Scheatic illustration of thermoelectric module.将 p 型和 n 型热电材料使用金属导流片联结在一起形成 对，然后将 对串联起来，固定在两块陶瓷基板之间，就可以构成热电模块，，如图 2.2 所示。热电模块是构建热电发电器或者制冷器的基本单元。热电模块的性能通常使用能量转换
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院上海硅酸盐研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB34

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本文编号：2697575