刘玮书课题组在Mg3Sb2基热电器件获得13%高效率

lastday

近日，南方科技大学材料科学与工程系教授刘玮书课题组在Mg3Sb2基热电器件研究领域取得新进展，相关成果分别发表在金属材料和能源材料领域期刊Acta Materialia和Advanced Energy Materials上。
        热电转换技术可以将热能直接转化为电能，具备无污染、无噪音、无运动部件等诸多优点，是一项非常有前景的绿色能源转换技术。环境友好型Mg3Sb2基热电材料（TEcM）在宽温度范围(室温-500 ℃)内得到了快速发展，但Mg3Sb2基TEG的组装和可靠性仍然是一个亟需解决的问题。热电发电机（TEG）的组装主要基于锡焊或钎焊工艺。大多数TEcM由于其半导体行为可焊性较差，因此在器件组装前需要引入金属化层即热电界面材料(TEiM)来优化TEcM和电极之间连接。但是，在TEiM/TEcM接触界面容易发生界面反应和扩散，导致界面结合强度（σs）降低，接触电阻（ρc）增大，进而造成TEG输出功率密度（ω）和转化效率（η）衰减，且这一寄生问题在高温服役环境中尤为突出。
       从推动新型Mg3Sb2基TEcM走向工业界角度出发，重新设计多功能的TEiM，提高TEG的可靠性至关重要且紧迫。然而，针对特定的TEcM如何选择最优的TEiM并没有系统的研究和深入的讨论。针对这一挑战，课题组基于活化烧结，热膨胀系数匹配，非活性掺杂，与扩散钝化等原则，设计出了新型Fe7Mg2Cr和Fe7Mg2Ti三元TEiM。在400℃高温时效处理15天后，TEiM/TEcM界面ρc<10 μΩcm2，σs>30 Mpa，在满足基础需求同时表现出良好的界面稳定性。这一通用设计策略为指定TEcM快速搜索TEiM提供了重要参考，有望突破Mg3Sb2基TEG在温差发电应用方面的技术瓶颈。相关成果以“A general design strategy for thermoelectric interface materials in n-type Mg3Sb1.5Bi0.5 single leg used in TEGs” 为题发表在金属材料领域顶级期刊Acta. Mater上(Acta Materialia 226 (2022) 117616）。刘玮书课题组2020级博士生吴新志为论文第一作者，刘玮书为论文通讯作者，南科大为论文第一单位。

图1. 一种为Mg3Sb2基TEcM设计TEiM的通用策略。

        在上一个研究工作中，课题组基于合金设计策略，通过快速高效搜索、优化TEiM，提高了Mg3Sb2基TEG的界面稳定性。然而，一个更具挑战性的问题是如何优化Mg3Sb2基TEcM本身的高温稳定性。Mg3Sb2基TEcM在高温下极易发生Mg损失，进而诱导Mg空位，降低载流子浓度，恶化TEcM的本征热电性能。在材料角度，通过Mg过补偿，高温烧结，阳离子位掺杂，热变形，喷涂防护镀层等策略能有效稳定Mg空位浓度，进而提高TEcM的稳定性。但是，仍然缺乏从器件及界面角度协同优化热稳定性的有效方法。为此，课题组从降低表界面扩散驱动力角度出发，通过降低界面化学势梯度，增加扩散激活能垒，降低饱和蒸气压，设计了一种五元TEiM（FeCrTiMnMg）及多功能Mg合金保护涂层（ME20M），显著提高了TEG的热稳定性。优化后的TEG在热端500 °C下，能获得13%的高η，这是N-型热电单腿器件目前报道的最高值。而且，在热端400 °C持续测试100 h，及在200-400 °C循环200次后，性能（ω和η）衰减小于10%，展现出优异的高温稳定性。同时，我们利用原位加热透射电镜技术首次直观地展示了Mg3Sb2基TEG界面在高温下的微观结构演变，为热电器件界面服役行为的研究提供了重要的参考。相关成果以“Interface and Surface Engineering Realized High Efficiency of 13% and Improved Thermal Stability in Mg3Sb1.5Bi0.5-based Thermoelectric Generation Devices”为题发表在新能源材料领域顶级期刊Advanced Energy Materials上。
      南方科技大学博士生吴新志，安徽大学博士生林扬剑为论文共同第一作者，刘玮书与安徽大学教授葛炳辉为论文通讯作者，南科大为论文第一单位。

图2. 通过界面及表面工程提高Mg3Sb2基TEG的转化效率及高温稳定性。

       以上研究工作得到了国家自然科学基金、科技部重点专项、广创团队项目、深圳市科技计划项目、研究资助局高级研究员计划项目、腾讯基金会“科学探索奖”等支持。

         论文链接：
         1：https://doi.org/10.1016/j.actamat.2021.117616
         2：https://doi.org/10.1002/aenm.202203039
         文章来源：南方科技大学
        刘玮书主要从事热电材料与器件研究，目前已经在Proc. Natl. Acad. Sci USA、Nat. Energy、Energy Environ. Sci.、Adv. Energy. Mater.、Adv. Funct. Mater.、Nano Energy等学术期刊发表学术论文90余篇，论文总引用超过6000次，H指数38；已申请专利28项，获得授权中国专利16项、美国专利3项、国际专利1项，参与了两部英文专著中5个章节的编写；应邀在美国TMS、国际陶瓷年会CICC、中国热电大会等重要学术会议作特邀报告；获首届腾讯“科学探索奖”，深圳市孔雀计划人才（B类）； 任中国材料研究学会下属热电材料及应用分会理事，英国物理学会IoP旗下杂志Nanotechnology咨询委员会成员。