N型SnSe多晶热电材料：液相烧结赋予高性能

研究背景

随着全球对清洁能源和高效能源转换技术的需求日益增长，热电技术因其能够直接将废热转化为电能而备受瞩目。热电材料的转换效率由其无量纲优值（ZT）决定，ZT值越高，性能越优越。在众多热电材料中，硒化锡（SnSe）因其在单晶形态下展现出的卓越性能而成为研究热点。然而，多晶SnSe成本更低、机械强度更优，更有利于机械加工和商业应用。但是n型多晶SnSe的性能长期无法与p型材料或单晶材料媲美，影响了多晶SnSe材料的应用。这主要归因于其较高的晶格热导率以及锡空位（V_Sn）对载流子传输的不利影响，同时成为制约其实际应用的瓶颈。

新研究的核心突破

研究团队在制备过程中添加了过量的金属锡（Sn）。在高温烧结时，过量的锡熔化形成液相，一部分在压力下被挤出，而另一部分则渗透到SnSe基体中（图a）。渗入的锡原子有效填补了本征的V_Sn，减少了对电子的捕获和散射，从而显著提高了载流子浓度和电导率，同时保持了较高的塞贝克系数。液相烧结过程在材料内部引入了极高密度的位错和位错网络，这些缺陷能够高效地散射声子（尤其是中频声子）。导致晶格热导率在793 K时降至0.21 W·m⁻¹·K⁻¹，接近该材料的理论最小值（图b）。

通过这种电子与声子传输的协同优化，研究团队在n型多晶SnSe中实现了ZT值约1.9（793 K），以及在300–873 K范围内平均ZT值高达0.72的卓越性能（图c），在已报道的n型SnSe基多晶材料中位居顶尖水平。

未来应用展望

这项工作不仅为n型SnSe的热电性能提升提供了新方法，更展示了液相烧结技术在设计和制备高性能热电材料方面的巨大潜力和普适性。未来，基于此类高性能、环境友好的n型热电材料，有望广泛应用于中高温区（300–900 K）余热发电及固态制冷等领域。这项成果将为研发高性能热电材料提供新思路，并促进其相关产业技术发展。

原文链接：https://spj.science.org/doi/10.34133/research.0962