n型PbS化合物的制備及熱電性能.pdf

1、熱電材料是利用Seebeck效應(yīng)和Peltier效應(yīng)實(shí)現(xiàn)熱能和電能相互轉(zhuǎn)換的一類新型能源材料,在熱電光電復(fù)合發(fā)電,工業(yè)余熱回收和熱電制冷領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。其中PbTe基材料作為一種有潛力的中溫?zé)犭姴牧?受到了人們的廣泛研究,并且獲得了十分的優(yōu)異熱電性能,使其在中溫發(fā)電領(lǐng)域有著無可比擬的優(yōu)勢。但由于Te元素含量稀少、需求量大且價(jià)格昂貴,限制了其商業(yè)化應(yīng)用。而PbS化合物與PbTe具有相同的晶體結(jié)構(gòu)和相似的電子結(jié)構(gòu),由于S元素的含量極

2、其豐富,因此從成本上來說PbS化合物是取代PbTe化合物的最佳選擇,但是PbS化合物的熱電性能較差,迄今為止缺少關(guān)于其熱電性能的系統(tǒng)研究。
　　 本論文以廉價(jià)的n型PbS化合物為研究對象。利用熔融結(jié)合SPS燒結(jié)制備技術(shù),以Ga、In和Sb作為施主摻雜原子,以Se和Te作為固溶原子,通過摻雜和固溶兩種手段,系統(tǒng)研究其對相組成、微結(jié)構(gòu)、載流子濃度和電熱傳輸性能的影響規(guī)律。本論文的主要研究工作和結(jié)論如下:
　　 采用ⅢA族元素

3、Ga和In摻雜制各了n型PbS化合物,研究發(fā)現(xiàn):通過Ga摻雜能夠成功得到n型PbS化合物,其載流子濃度有較大幅度的增加,使得樣品的電導(dǎo)率顯著提高,其中Ga摻雜量為1％的樣品在750 K時(shí)獲得最大ZT值0.76,與未摻雜的樣品相比提高了100%,但是Ga摻雜對于PbS化合物的載流子濃度調(diào)節(jié)能有限;而通過In摻雜能夠使得樣品的載流子濃度更大幅度增加,最高達(dá)到2×1020 cm-3,使得樣品的電性能得到明顯提升,且最大刀值向高溫端移動(dòng),由于樣

4、品的熱導(dǎo)率也有明顯的增加,最終In摻雜量為0.3%的樣品在825K獲得最大刀值為0.78。
　　 制備了Sb過量摻雜的n型PbS化合物,研究結(jié)果表明,過量的Sb未能起到降低樣品晶格熱導(dǎo)率的作用,但過量Sb在PbS中主要存在于間隙位置,能夠作為施主有效的調(diào)節(jié)樣品的載流子濃度,并且沒有顯著改變樣品的電子結(jié)構(gòu),由于電性能的提升,1%Sb過量摻雜的樣品在825 K獲得最大ZT值為0.8。綜合研究Ga、In和Sb摻雜的n型PbS化合物,比

5、較了不同載流子濃度對于樣品電性能的影響規(guī)律,結(jié)果表明,對于PbS化合物而言其最佳載流子濃度范圍在4×1019 cm-3～9×1019 cm-3左右,其中1%Sb摻雜的樣品(載流子濃度為5.57×1019cm-3)在825 K具有最大的功率因子1.4 mWK-2 m-1,因此通過載流子濃度的優(yōu)化能夠有效提高n型PbS的熱電性能。
　　 在載流子濃度優(yōu)化的基礎(chǔ)上,制備了Se或Te固溶的PbS化合物。Se能夠完全固溶于PbS化合物中形

6、成固溶體PbS1-xSex,并在材料中形成了大量的共格或者半共格納米結(jié)構(gòu),對于聲子造成了強(qiáng)烈的散射作用,顯著降低材料的晶格熱導(dǎo)率,且同時(shí)由于這種共格或者半共格納米結(jié)構(gòu)具有較小的晶格失配度,沒有對載流子的傳輸造成顯著影響,使得材料保持較好的電性能;其中50%Se固溶的樣品PbS0.5Se0.5-1%Sb在825 K獲得了最大刀值0.91,與僅通過載流子濃度優(yōu)化的樣品(x=0)相比提高了15%。而Te在PbS化合物中的固溶度極小,在3%以下