日前，南方科技大學(xué)物理系講席教授何佳清團(tuán)隊(duì)在國際頂尖學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》發(fā)表了SnSe熱電材料和器件重要成果研究論文。他們的研究顛覆了以往研究中的傳統(tǒng)認(rèn)知，表明了SnSe晶體材料具有可同時作為溫差發(fā)電和通電制冷材料的巨大潛力。

研究表明，目前全球產(chǎn)生的能量超過60%以廢熱的形式被浪費(fèi)。在此背景下，熱電轉(zhuǎn)換，即熱能與電能相互轉(zhuǎn)換技術(shù)已被作為一條解決環(huán)境和能源問題的新途徑。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)。該項(xiàng)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)溫差生電和通電制冷的效果，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)由于其器件具有尺寸高度可控、可靠性高、無運(yùn)動部件、無污染和無噪音等優(yōu)勢，在航空航天和集成電路等關(guān)鍵領(lǐng)域具有不可替代的重要價值，例如：用于航天深空探測中的放射性同位素溫差發(fā)電電源和用于集成電路領(lǐng)域的微型電子器件散熱制冷和精確溫控等。

熱電材料性能指標(biāo)的關(guān)鍵在于能源轉(zhuǎn)換效率，由材料的無量綱熱電性能優(yōu)值(ZT值)決定。然而，決定ZT值的各個熱電參數(shù)相互之間具有強(qiáng)烈的耦合關(guān)系，這使得熱電材料的性能優(yōu)化極具挑戰(zhàn)性，調(diào)控這些強(qiáng)烈耦合的復(fù)雜熱電參數(shù)是提高材料ZT值和熱電轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵。隨著熱電材料領(lǐng)域的研究越來越受重視，不斷涌現(xiàn)出了諸多提升ZT值的有效策略。

南科大何佳清團(tuán)隊(duì)的研究通過在動量空間和能量空間同時作用的多價帶協(xié)同傳輸策略，實(shí)現(xiàn)了P型SnSe晶體熱電性能的顯著提升;并搭建了基于SnSe晶體材料的熱電器件，在器件中不但實(shí)現(xiàn)了溫差發(fā)電，還實(shí)現(xiàn)了大溫差的電子制冷。這一研究表明了SnSe晶體材料作為溫差發(fā)電和電子制冷材料的巨大潛力，且具備成本低、儲量豐富和重量小等優(yōu)勢。實(shí)驗(yàn)證明，在210度左右的溫差下，基于P型SnSe晶體的熱電器件能夠?qū)崿F(xiàn)約4.4%的熱電轉(zhuǎn)換效率，這一數(shù)值與同一溫差下商業(yè)化應(yīng)用的碲化鉍(Bi2Te3)基熱電器件相當(dāng);基于P型SnSe晶體的熱電器件能夠?qū)崿F(xiàn)約45.7度的最大制冷溫差，這一數(shù)值可以達(dá)到商用碲化鉍器件的70%。但相比于Bi2Te3材料，SnSe的成本降低了約54%，重量減少了約21%，且具有較好的可加工性。

該研究首次嘗試了基于SnSe晶體熱電材料的多對熱電器件的裝配與性能表征，結(jié)果表明其擁有良好的溫差發(fā)電效率和通電制冷性能。同時，SnSe材料相比于傳統(tǒng)碲化鉍材料，具有成本低、儲量豐富和重量小等優(yōu)勢，具有強(qiáng)大的商用器件替代性和實(shí)際應(yīng)用價值，尤其是對于包含5G芯片在內(nèi)的微型電子器件以及未來通訊器件等領(lǐng)域，其有望實(shí)現(xiàn)很好的電子制冷和溫度控制效果，從而帶來更高的社會價值和經(jīng)濟(jì)效益。

該研究主要由南方科技大學(xué)物理系和北京航空航天大學(xué)材料學(xué)院共同完成，清華大學(xué)和武漢理工大學(xué)作為參與單位。何佳清和北京航空航天大學(xué)教授趙立東為該論文的共同通訊作者。(記者 吳吉 通訊員 孫藝琛)

關(guān)鍵詞： 南科大 研究成果 SnSe 熱電材料