Studie zeigt, dass interstitielles Cu die Defektdichte in der Matrix verringert und den donorähnlichen Effekt unterdrückt

Aufgrund der Fähigkeit, Wärme direkt und reversibel in Elektrizität umzuwandeln, haben thermoelektrische (TE) Materialien potenzielle Anwendungen beim Festkörper-Wärmepumpen und bei der Abgaswärmerückgewinnung und erregen daher weltweite Aufmerksamkeit. Bi2Te3 zeichnet sich durch hervorragende thermoelektrische Eigenschaften aus und wird in kommerziellen thermoelektrischen Geräten verwendet.

Allerdings wird die Entwicklung von thermoelektrischen Bauelementen auf Bi2Te3-Basis durch die schwachen mechanischen Eigenschaften und die niedrigen TE-Eigenschaften von Bi2(Te, Se)3 vom n-Typ ernsthaft behindert. Daher ist es wichtig, ein leistungsstarkes polykristallines Bi2Te3-Material vom n-Typ zu entwickeln.

Um dieses Problem anzugehen, wurde eine Studie durchgeführt, veröffentlicht im Journal Wissenschaftsbulletinführte zusätzliches Cu in das klassische n-Typ Bi2Te2.7Se0.3 ein, um seinen lokalen Defektzustand zu optimieren, und ein zweistufiger Heißverformungsprozess wurde eingesetzt, um das hochtexturierte polykristalline Bi2Te2.7Se0.3-Material aufzubauen.

Diese Forschung zeigt, dass das zusätzliche Cu in die Van-der-Waals-Abstände zwischen den Te(1)-Te(1)-Schichten in der Bi2Te2.7Se0.3-Matrix eindringen kann und so die Bildung anionischer Leerstellen unterdrückt. Diese Verringerung der Defektdichte trägt zur Gitterglättung in Cu0,01Bi2Te2.7Se0.3 bei und verbessert die Trägerbeweglichkeit von Bi2Te2.7Se0.3 von 174 cm2 V–1 s–1 auf 226 cm2 V–1 s–1 mit dem 1 % zusätzlichen Cu, was zu einem maximalen ZT von 1,10 bei 348 K führt.

Anschließend wurde das SPS-gesinterte Cu0,01Bi2Te2,7Se0,3-Massivmaterial einem zweistufigen Heißverformungsprozess unterzogen. Da das interstitielle Cu das Gitter stabilisieren und den Donor-ähnlichen Effekt wirksam unterdrücken kann. Die Trägerkonzentration der Heißverformungsprobe blieb nahezu unverändert, während ihre Kornausrichtung und Korngröße deutlich zunahmen, was die Trägermobilität dramatisch steigerte, von anfänglich 174 cm2 V–1 s–1 auf 333 cm2 V–1 s–1, was einer Steigerung von 91 % nach dem Heißverformungsprozess entspricht.

Diese deutliche Verbesserung der elektronischen Eigenschaften trägt zu einer deutlichen Steigerung des ZT für die Heißverformungsprobe bei. Der ZTmax des texturierten Cu0,01Bi2Te2,7Se0,3 erreicht 1,27 bei 373 K, und sein durchschnittlicher ZT-Wert beträgt 1,22 im Bereich von 300 bis 425 K, fast doppelt so viel wie beim ursprünglichen Bi2Te2,7Se0,3.

Darüber hinaus wurde ein thermoelektrisches Kühlgerät (TEC) mit 127 Paaren hergestellt, indem die strukturierte Probe Cu0,01Bi2Te2,7Se0,3 mit kommerziellem p-Typ-BST gekoppelt wurde. Das TEC-Modul erreichte Kühltemperaturdifferenzen von 65 K und 83,4 K bei Hot-End-Temperaturen (Th) von 300 K bzw. 350 K, was den kommerziellen TEC-Modulen auf Bi2Te3-Basis überlegen ist. Unter Verwendung derselben Materialien wurde auch ein thermoelektrisches Generatormodul (TEG) mit 7 Paaren konstruiert.

Das TEG-Modul zeigte einen deutlich hohen Umwandlungswirkungsgrad von 6,5 % bei einer Temperaturdifferenz von 225 K, was mit anderen hochmodernen TEG-Modulen auf Bi2Te3-Basis vergleichbar ist.