Продолжающееся истощение энергетических ресурсов, основанных на ископаемом топливе, ведет нас к нарастающему энергетическому кризису. Следовательно, это привело к поиску устойчивых альтернативных ресурсов. Термоэлектрическое преобразование энергии — процесс выработки электроэнергии из отработанного тепла — набирает обороты в качестве следующей потенциальной технологии сбора энергии. Генераторы из термоэлектрических материалов используются для сбора тепловой энергии с помощью «эффекта Зеебека». Разность температур в термоэлектрическом материале создает поток носителей заряда, вырабатывающий электрическую энергию.
Для эффективного преобразования термоэлектрический материал должен иметь высокую эффективность преобразования (ZT), которая требует высокого коэффициента Зеебека (S), высокой электронной проводимости (σ) и низкой теплопроводности (κ). Известно, что материал селенид олова (SnSe) демонстрирует рекордно высокое ZT в своей монокристаллической форме. Однако, в практических поликристаллах характеристики ухудшаются.
В недавнем исследовании, опубликованном в журнале Advanced Science , группе исследователей из Японии под руководством доцента Такаёси Катасэ из Токийского технологического института (Tokyo Tech) удалось повысить ZT поликристаллического SnSe, продемонстрировав одновременно высокое значение σ и низкое значение κ. Команда добилась этого замечательного прорыва, внедрив ион теллура (Te) в структуру SnSe.
Однако была загвоздка. Растворимость ионов Te 2- в позиции Se 2 в SnSe чрезвычайно низка при тепловом равновесии из-за несоответствия размеров двух ионов, что сильно ограничивает ионное замещение. Команда решила эту проблему, приняв двухстадийный неравновесный процесс роста, который позволил им увеличить предел концентрации Te 2 — x до 0,4 в объемных кристаллах Sn(Se 1-x Te x ).
«Добавление иона того же валентного состояния обычно не увеличивает концентрацию носителей в ионных полупроводниках. Однако в нашем случае замещение ионов Te 2- в позиции Se 2- в SnSe увеличило концентрацию носителей на три порядка, что привело к к высокому σ. Кроме того, замена ионов Te резко снизила κ до менее чем одной трети его значения при комнатной температуре», — говорит доктор Катасе.
Было две основные стратегии для достижения высокого σ и низкого κ в поликристаллах SnSe. Одним из них является добавление ионов с другим валентным состоянием, таких как ионы щелочных металлов, для увеличения концентрации носителей. Другой контролирует сегрегацию примеси для фононного рассеяния. Таким образом, синтез высокоэффективного поликристаллического SnSe сопряжен с множеством сложностей.
Команда, однако, показала, что замена изовалентными ионами Te одновременно увеличивает σ и уменьшает κ. Как? Команда провела расчеты из первых принципов, чтобы выяснить механизм, лежащий в основе улучшения ZT. Расчеты показали, что крупный ион Te в SnSe образует слабые связи Sn-Te. Эта связь Sn-Te легко диссоциирует, и в структуре образуется высокая плотность вакансий Sn, что приводит к высокой концентрации дырок. Кроме того, слабые связи Sn-Te снижают частоту фононов (частоту колебаний решетки) и усиливают рассеяние фононов.
Таким образом, в исследовании представлен новый метод добавления ионов большого размера за пределы их равновесного состояния, который может направить будущие исследования по оптимизации электронных и тепловых свойств термоэлектрических поликристаллов SnSe. «Мы верим, что наши результаты проложат путь к высокопроизводительным и практичным термоэлектрическим материалам », — говорит доктор Катасе.
Мы, конечно, надеемся, что его видение не слишком далеко от реализации.
