先進(jìn)熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)在半導(dǎo)體制冷、工業(yè)余熱和汽車尾氣廢熱發(fā)電等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。長期以來，熱電材料的研究主要集中于晶態(tài)化合物。2012年中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所熱電團(tuán)隊(duì)通過在固態(tài)材料中引入具有“類液態(tài)”特征的離子以弱化甚至消減部分橫波聲子振動模式(Nat. Mater. 2012)，發(fā)現(xiàn)了一大類具有“聲子液體－電子晶體”特征的新型高性能類液態(tài)熱電材料體系。上硅所熱電團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步研究和解析了類液態(tài)材料中可移動離子在外場作用下的遷移和析出機(jī)理，提出了材料能否穩(wěn)定使用的熱力學(xué)判據(jù)(Nat. Commun. 2018)。 

高性能熱電材料是先進(jìn)熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)的前提和基礎(chǔ)，而高效熱電器件則是其走向應(yīng)用的核心和關(guān)鍵。對傳統(tǒng)熱電材料而言，器件的開發(fā)和研究通常僅需通過結(jié)構(gòu)尺寸和界面的設(shè)計(jì)與優(yōu)化來實(shí)現(xiàn)最大能量轉(zhuǎn)換效率/最大輸出功率等。然而，對類液態(tài)材料而言，可移動的類液態(tài)離子對熱電器件的服役穩(wěn)定性提出了新的挑戰(zhàn)，器件的設(shè)計(jì)和集成制造還必須對服役穩(wěn)定性進(jìn)行針對性的優(yōu)化以同時獲得高能量轉(zhuǎn)換效率/輸出功率和服役穩(wěn)定性。 

最近，中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所史迅研究員、陳立東研究員、仇鵬飛副研究員與美國西北大學(xué)G. Jeffrey Snyder教授合作，超越了傳統(tǒng)熱電器件的設(shè)計(jì)思路與方案，提出了基于類液態(tài)材料的熱電器件設(shè)計(jì)新準(zhǔn)則，即通過器件結(jié)構(gòu)尺寸和界面的優(yōu)化同時實(shí)現(xiàn)高能量轉(zhuǎn)換效率和服役穩(wěn)定性，并成功將該準(zhǔn)則應(yīng)用于Cu2Se和Cu1.97S類液態(tài)材料熱電器件的研制，獲得了兼具高能量轉(zhuǎn)換效率（9.1%）和高服役穩(wěn)定性的新型熱電器件。相關(guān)研究成果發(fā)表于Joule雜志（DOI: 10.1016/j.joule.2019.04.010）。 

研究發(fā)現(xiàn)，Cu2Se在不同的溫差下均具有較大的臨界電壓（～0.05V），而Cu1.97S則具有較小的臨界電壓，在275K的溫差下僅為～0.01V。類液態(tài)材料承載的電壓與p型熱電臂和n型熱電臂橫截面積之比(Ap/An)直接相關(guān)。假設(shè)類液態(tài)材料為p型，如果Ap/An越大，類液態(tài)材料承載的電壓將越小，器件的穩(wěn)定性也將越好。

基于上述模型和機(jī)理，該研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了兩種類液態(tài)材料熱電器件，其中p型熱電臂分別選取經(jīng)典的類液態(tài)材料Cu2Se和Cu1.97S，n型熱電臂選取傳統(tǒng)的Yb0.3Co4Sb12填充方鈷礦。在200K溫差時，不同Ap/An情況下Cu1.97S上承載的電壓均已超過臨界電壓值，材料與器件均不穩(wěn)定。但對Cu2Se而言，若Ap/An大于4，在675K的溫差下材料與器件均保持穩(wěn)定。同時，三維拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)模擬表明Cu2Se/Yb0.3Co4Sb12熱電器件達(dá)到理論最高效率90%需要Ap/An的范圍為2-8。因此，當(dāng)Ap/An的范圍為4-8時，將會同時獲得高服役穩(wěn)定性和高能量轉(zhuǎn)換效率。研究團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)上制備了Cu2Se/Yb0.3Co4Sb12熱電器件。測試結(jié)果表明，在溫差680 K時，其能量轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)9.1%，遠(yuǎn)高于SiGe基和half-Heusler基高溫?zé)犭娖骷?。?dāng)溫差為520 K時，器件的性能在長時間恒溫老化后未出現(xiàn)明顯衰減。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論模型一致，表明該研究提出的熱電器件設(shè)計(jì)新準(zhǔn)則可很好的應(yīng)用于新型類液態(tài)熱電材料的器件研究和制備。 

研究工作得到國家重點(diǎn)專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院重點(diǎn)部署項(xiàng)目、中國科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會、上海市青年科技啟明星等的資助和支持。 　　

(a) Cu2Se/Yb0.3Co4Sb12熱電器件結(jié)構(gòu)示意圖；(b) 代表性類液態(tài)熱電材料的熱電優(yōu)值；(c) Cu2Se/Yb0.3Co4Sb12熱電器件實(shí)物圖；(d) Cu2Se/Yb0.3Co4Sb12熱電器件能量轉(zhuǎn)換效率和長時間恒溫老化下的輸出功率變化。 

鏈接：https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(19)30208-9