《Science》3连发热能发电不再是梦想

　　热电材料将热量转换为电能，使其对于热量收集或冷却应用具有吸引力。 然而，许多高性能的热电材料是由昂贵或有毒的材料制成的。因此有必要开发低成本和高性能的热电材料。

　　2019年9月27日，北京航空航天大学赵立东课题组在Science 在线发表题为"High thermoelectric performance in low-cost SnS0.91Se0.09 crystals"的研究论文，该研究发现并利用硫化锡（SnS）的多个能带随着温度的演变规律，通过引入Se优化调控了有效质量和迁移率的矛盾，在储量丰富、成本低廉、环境友好的SnS晶体材料中实现了高的热电性能 。

　　热量可以通过热电材料转化为电能。 这样的材料有望用于固态冷却装置。 开发有效的热电材料的挑战是确保高电导率但低导热率。转换效率取决于材料品质因数ZT。2018年5月18日，北京航空航天大学赵立东与南方科技大学何佳清共同通讯在Science 在线发表题为"3D charge and 2D phonon transports leading to high out-of-plane ZT in n-type SnSe crystals"的研究论文，该研究显示773开尔文处平面外的n型硒化锡（SnSe）晶体的最大ZT为〜2.8±0.5。层状SnSe晶体中的热导率在平面外方向上最低（2D电荷传输）。该研究用溴掺杂了SnSe，制得了具有重叠层间电荷密度（3D电荷传输）的n型SnSe晶体。连续的相变会增加对称性，并使两个会聚的导带发散。这两个因素改善了载流子迁移率，同时保留了较大的塞贝克系数。该研究发现可应用于2D分层材料中，并提供了一种新的策略来增强平面外电传输性能而不会降低热性能。

　　直接从热量中收集电力的热电技术是一种有前途的环保节能和发电方式。热电效率由器件的无量纲品质因数ZTdev决定，要优化该效率，需要在较宽的温度范围内最大化ZT值。2016年1月8日，北京航空航天大学赵立东及美国西北大学Mercouri G. Kanatzidis共同通讯在Science在线发表题为"Ultrahigh power factor and thermoelectric performance in hole-doped single-crystal SnSe"的研究论文，该研究报告了创纪录的ZTdev〜1.34，在孔掺杂硒化锡（SnSe）晶体中ZT从0.7到2.0在300到773开尔文之间实现。卓越的性能来自超高功率因数，超高功率因数归因于SnSe中存在的多个电子价带的贡献，而实现的高电导率和强大的塞贝克系数。SnSe是在低温和中温范围内用于能量转换应用的强大热电候选物。

　　热电转换技术是一种利用Seebeck效应（温差发电）和Peltier效应（通电制冷）实现电能与热能相互转换的技术，具有系统体积小、无运动部件、无磨损、无噪音和无污染等诸多优点，在废热发电和电子制冷等关键领域有着重要的应用，如利用热电材料的温差发电技术是深空探测中不可替代的能源技术。

　　热电转换效率是衡量其热电材料性能的重要参数，由热电性能优值（ZT值）决定, 其中ZT = S2σT /κ。所以，性能优异的热电材料应同时具有大的温差电动势S（维持大的温差电压）、高的电导率σ（减少焦耳损耗）和低的热导率κ（保持大的温差）。然而这些热电参数是相互纠缠耦合的，严重制约了ZT值的提高，有效地调控这些复杂耦合的热电参数是提高ZT值和转换效率的关键。近年来，提高ZT值的策略层出不穷：如通过点缺陷、位错、界面、结构纳米化等多尺度缺陷设计降低热导率（κ）；调整电子能带结构、晶体结构对称性、相转变等实现高的电传输性能（PF = S2σ）；引入磁性纳米粒子实现电-声-磁协同调控；直接寻找具有本征低热导κ或高功率因子PF的热电材料；或通过高通量计算手段筛选有效热电材料等。

　　2014年，SnSe被发现是一种具有强非简谐效应的热电材料后 (Nature 508 (2014) 373-377)，又相继发现了SnSe的多价带传输特性（Science 351 (2016) 141-144）和SnSe的面外方向“二维声子 / 三维电荷”传输特性（Science 360 (2018) 778-783）。与此同时，该课题组近年来以开发低成本、环境友好、储量丰富的热电材料为目标。与同IV-VI族热电材料相比（PbTe, PbSe, PbS, SnTe, SnSe，其中Te的储量丰度是0.001ppm，Se为0.05ppm，S为420 ppm），可见SnS是具备以上特征的最具吸引力化合物之一，但面临的挑战是如何改善SnS的电传输性能（电导率和温差电动势）。由于硫化物的强电负性和宽带隙，一直不被认为是一种电的良导体。经过2年的探索研究，摸索出了SnS晶体的生长方法，通过利用晶体的各向异性，在层内方向获得了高于多晶材料（J. Mater. Chem. A, 2 (2014) 17302-17306）10-15倍的迁移率（J. Mater. Chem. A, 6 (2018) 10048-10056），成功地改善了SnS的电导率。

　　热电材料不但需要好的电导率，也需要大的温差电动势，这是一对受载流子浓度制约的矛盾。本次工作主要集中在温差电动势和电导率的优化上，即有效质量m*和迁移率μ的协同调控（也是一对矛盾），调控的优化程度可由品质因子β来衡量，β ∝ μ(m*)3/2 。

　　实验上，首先通过变温同步辐射测试获得了不同温度下的原子占位信息，结合电子能带结构计算，研究发现在SnS材料中存在多个价带随温度的协同互动 。即多个价带经历了收敛（增加有效质量和减小迁移率），相交（收敛与分离），以及分离（减小有效质量和增加迁移率）三个过程。进一步研究发现，这一多价带随温度的演变过程可以通过在SnS中引入Se实现增强，如图1所示。同时发现，Se的引入还可使多价带尖锐化（减小有效质量和增加迁移率），而且还可促进更多的价带（第四个价带）参与传输（维持较大的有效质量）。引入Se后，在迁移率提升的同时，维持了大的有效质量，从而获得了大的品质因子β，使SnS晶体在整个温区内实现了很高的电传输性能，甚至优于具有多价带传输特性的SnSe晶体（Science 351 (2016) 141-144）。SnS晶体的最大ZT值从 ~ 1.0提高到 ~ 1.6，整个温区内平均ZT值达到 ~ 1.25。与同IV-VI族热电材料相比，SnS是一种环境友好（environmentally-friendly）、高效（high-efficiency）、高性价比（cost-effective）的热电材料，在未来大规模的热电器件应用中极具吸引力。

图1.通过能带结构调控（固溶Se），使价带尖锐化，同时更多的价带参与传输，进一步增强电输运性能。

　　该工作由来自于11家单位的27位合作者共同完成: 如清华大学的李敬锋教授课题组、南方科技大学的何佳清教授课题组和刘畅教授课题组、新加坡国立大学的Stephen J. Pennycook教授课题组、日本产业技术研究所的Michihiro Ohta教授课题组、中国原子能院的郝丽杰研究员和牛厂磊高工、中国工程物理研究院的宋建明副研究员、中科院高能物理所的徐伟副研究员和河南师范大学的王广涛教授。该工作采用了多种先进测试及表征手段：如变温同步辐射X射线衍射（SR-XRD）、密度泛函理论计算（DFT）、角分辨光电子能谱（ARPES）、X射线吸收精细结构谱（XAFS）、非弹性中子衍射（INS）、球差扫描透射显微镜（STEM）、中子探伤性能稳定性测试和热电器件转换效率测试等。

　　该工作主要得到了国家自然科学基金基础科学中心项目（51788104）、国家重点研究开发项目（2018YFA0702100, 2018YFB0703600）、国家自然科学基金面上项目 （51772012, 51632005, 51571007）、北京市杰出青年基金项目（JQ18004）和教育部111引智计划（B17002）等的资助。