導(dǎo)讀：

      當(dāng)今，化石能源短缺和環(huán)境污染問(wèn)題凸顯，能源的多元化和高效多級(jí)利用成為解決能源與環(huán)境問(wèn)題的一個(gè)重要途徑。作為一種綠色能源技術(shù)和環(huán)保型制冷技術(shù)熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)是利用材料的塞貝克效應(yīng)與帕爾貼效應(yīng)將熱能和電能進(jìn)行直接轉(zhuǎn)換的技術(shù)，包括熱電發(fā)電和熱電制冷。這種技術(shù)具有系統(tǒng)體積小、可靠性高、不排放污染物、適用溫度范圍廣等特點(diǎn)。熱電器件可以實(shí)現(xiàn)熱能和電能的直接轉(zhuǎn)換，在廢熱回收和固態(tài)制冷領(lǐng)域具有重要的研究?jī)r(jià)值，對(duì)熱電發(fā)電器件的能量轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行精確測(cè)量是評(píng)價(jià)熱電材料和器件性能的重要基礎(chǔ)。

      熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)是一項(xiàng)基于半導(dǎo)體材料的新能源技術(shù)?；诓牧系娜惪诵?yīng)和帕爾貼效應(yīng)，該項(xiàng)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)溫差發(fā)電和通電制冷的效果，其分別在工業(yè)廢熱回收利用和電子制冷領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。相比于傳統(tǒng)能源轉(zhuǎn)換技術(shù)，熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)具有器件尺寸高度可控、可靠性高、無(wú)運(yùn)動(dòng)部件、無(wú)污染和無(wú)噪音等優(yōu)勢(shì)。熱電材料性能指標(biāo)的關(guān)鍵在于能源轉(zhuǎn)換效率，其由材料的無(wú)量綱熱電性能優(yōu)值（zT值）決定。隨著熱電材料領(lǐng)域的研究越來(lái)越受重視，不斷涌現(xiàn)出了諸多提升zT值的有效策略：優(yōu)化載流子濃度以提高電導(dǎo)率；調(diào)整電子能帶結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)、相結(jié)構(gòu)等優(yōu)化電傳輸性能；通過(guò)引入點(diǎn)缺陷、位錯(cuò)、晶界、納米級(jí)沉淀物等進(jìn)行多尺度分層架構(gòu)設(shè)計(jì)以降低熱導(dǎo)率；探索和開(kāi)發(fā)具有本征低熱導(dǎo)率特性的新材料體系；通過(guò)高通量及基于基因計(jì)算等預(yù)測(cè)潛在熱電材料等。

      類(lèi)金剛石化合物是從單質(zhì)Si及閃鋅礦半導(dǎo)體等金剛石結(jié)構(gòu)物質(zhì)衍生而來(lái)，具有金剛石結(jié)構(gòu)的四面體結(jié)構(gòu)。四元類(lèi)金剛石材料Cu₂CdSnSe₄^[1]和Cu₂ZnSnSe₄^[2]等的熱電性能逐漸受到重視，其zT值在700K及850K分別達(dá)到了0.65及0.95。此后，多種類(lèi)金剛石結(jié)構(gòu)化合物的性能得到研究，許多體系的ZT值超過(guò)了1。近期，重慶大學(xué)周小元團(tuán)隊(duì)與其合作者通過(guò)在Cu₃SbSe₄中加入CuAIS₂（1?6wt%）的方法提高了材料的電輸運(yùn)性能、降低了晶格熱導(dǎo)率，同時(shí)材料的熱穩(wěn)定性和力學(xué)性能也得到了提升，給熱電器件（TEG）的制作與應(yīng)用帶來(lái)了益處，該工作以《High Thermoelectric Performance and Compatibility in Cu₃SbSe₄-CuAlS₂ Composites》為題，發(fā)表在能源與環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域頂級(jí)期刊《Energy & Environmental Science》 (EES)上^[3]。

      實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，Cu₃SbSe₄-CuAIS₂復(fù)合材料在300 - 723 K的溫度范圍內(nèi)平均zT值為0.77，峰值可以達(dá)到1.8，均為已公開(kāi)報(bào)道的最高值。

圖1. 300-723K溫度區(qū)間內(nèi)Cu₃SbSe₄ and Cu₃SbSe₄-5 wt% CuAlS₂zT值與溫度的關(guān)系（a）、本工作與其他公開(kāi)報(bào)道的銅基-類(lèi)金剛石熱電材料的zT值比較（b）

      使用p型Cu₃SbSe₄-5% CuAlS₂制成的單腿器件，其熱電轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了3.3%（ΔT=367K）。

圖2. p-type Cu₃SbSe₄-5% CuAlS₂單腿器件的轉(zhuǎn)換效率（a）及發(fā)電量（b）與溫度的關(guān)系

       值得注意的是，本文中單腿器件的轉(zhuǎn)換效率及發(fā)電量測(cè)量是在Advance Riko公司的小型熱電轉(zhuǎn)換效率測(cè)量系統(tǒng)Mini-PEM上進(jìn)行的，Quantum Design中國(guó)做為日本Advance Riko, Inc.公司的合作伙伴，很榮幸高性能的小型熱電轉(zhuǎn)換效率測(cè)量系統(tǒng)Mini-PEM可以助力本研究的發(fā)表。

       日本Advance Riko公司已專(zhuān)業(yè)從事“熱”相關(guān)技術(shù)和設(shè)備的研究開(kāi)發(fā)近60年，并一直走在相關(guān)領(lǐng)域的前端，為世界各地的科學(xué)研究及生產(chǎn)活動(dòng)提供了諸如紅外加熱、熱分析/熱常數(shù)測(cè)量等系統(tǒng)。2018年初，Quantum Design 中國(guó)公司將日本Advance Riko公司先進(jìn)的熱電材料測(cè)試設(shè)備：小型熱電轉(zhuǎn)換效率測(cè)量系統(tǒng)Mini-PEM、塞貝克系數(shù)/電阻測(cè)量系統(tǒng)ZEM、熱電轉(zhuǎn)換效率測(cè)量系統(tǒng)PEM及大氣環(huán)境下熱電材料性能評(píng)估系統(tǒng)F-PEM引進(jìn)中國(guó)。

       2018年7月，Quantum Design中國(guó)與日本Advance Riko達(dá)成協(xié)議，作為其熱電材料測(cè)試設(shè)備在中國(guó)的代理商繼續(xù)合作，攜手將日本Advance Riko先進(jìn)的熱電相關(guān)設(shè)備介紹到中國(guó)。

       目前，所有中國(guó)用戶(hù)購(gòu)買(mǎi)的日本Advance Riko熱電產(chǎn)品，均由Quantum Design中國(guó)公司的工程師團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)安裝及售后服務(wù)。同時(shí)，Quantum Design 中國(guó)公司在日本Advance Riko公司的協(xié)助下，在北京建立部分熱電設(shè)備示范實(shí)驗(yàn)室和用戶(hù)服務(wù)中心，更好的為中國(guó)熱電技術(shù)的發(fā)展提供設(shè)備支持和技術(shù)服務(wù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] M. Liu et al., A wide-band-gap p-type thermoelectric material based on quaternary chalcogenides of Cu₂ZnSnQ₄ (Q=S, Se), Appl. Phys. Lett. 94, 202103 (2009)

[2] M. Liu et al., Improved Thermoelectric Properties of Cu-Doped Quaternary Chalcogenides of Cu₂CdSnSe₄, Advanced Materials, Volume21, Issue37

[3] Y. Huang et al., High thermoelectric performance and compatibility in Cu₃SbSe₄–CuAlS₂ composites, Energy Environ. Sci., 2023, Advance Article

相關(guān)產(chǎn)品：

     小型熱電轉(zhuǎn)換效率測(cè)量系統(tǒng)Mini-PEM