一种P型SnSe热电材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及热电材料领域，尤其涉及一种P型SnSe热电材料，所述P型SnSe热电材料为Te和Na掺杂的SnSe，Sn、Se、Te和Na的摩尔比为(1‑x):(1‑y)：y：x；其中，0.015≤x≤0.025，0

【技术实现步骤摘要】
一种P型SnSe热电材料及其制备方法和应用
本专利技术涉及热电材料
，尤其涉及一种P型SnSe热电材料及其制备方法和应用。
技术介绍
近年来，热电材料由于能够直接和可逆地实现热能与电能之间的相互转换吸引了研究人员越来越多的关注。热电器件的发电和制冷效率是由器件两端的温差以及该温区对应热电材料的性能优值平均值ZTave决定，当温差一定时，ZTave越高，热电器件的能源转换效率越高。热电材料的性能优值ZT由材料的各个热和电传输性能参数共同决定。如何调控材料的热和电传输性能参数，是热电材料领域研究的重点。SnSe是一种重要的环境友好型热电材料，是一种具有极强各向异性的层状材料，其沿着层内方向具有较高的载流子迁移率及电传输性能，而垂直方向则具有较低的热导率。而传统的多晶SnSe热电材料由于存在大量的缺陷和晶界，极大地限制了其载流子迁移率和热电性能。因此，对于SnSe热电材料的研究主要集中在P型SnSe晶体上。目前主要是通过掺杂Na和Ag来实现P型掺杂。其中Ag掺杂存在掺杂效率低、载流子浓度过低导致低导热晶体热电性能较差的问题；Na掺杂后的P型SnSe晶体的结构对称性较差，依旧存在室温迁移率较差的问题，其热电性能的提高程度有限。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种能够进一步提高SnSe材料热电性能的P型SnSe晶体及其制备方法和应用。为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：本专利技术提供了一种P型SnSe热电材料，其特征在于，所述P型SnSe热电材料为Te和Na掺杂的SnSe材料，Sn、Se、Te和Na的摩尔比为(1-x):(1-y)：y：x；其中，0.015≤x≤0.025，0<y≤0.03。本专利技术还提供了P型SnSe热电材料的制备方法，包括以下步骤：按照所述P型SnSe热电材料成分的配比，将Sn、Se、Te和Na进行混合，得到混合物料；将所述混合物料进行热处理，得到P型SnSe热电材料。优选的，所述热处理在真空条件下进行，所述真空条件的真空度≤10-3Pa。优选的，所述热处理在连续温区垂直管式炉中进行，所述连续温区垂直管式炉分为高温区和低温区；所述高温区先以50～100℃/h的速率升温至1040～1060℃，保温800～1200min；再以0.5～1℃/h的速率降温至780～820℃，最后以10～20℃/h的速率降温至25℃；低温区先以50～100℃/h的速率升温至940～960℃，保温800～1200min；再以0.5～1℃/h的速率降温至580～620℃，最后以10～20℃/h的速率降温至25℃；所述高温区与低温区的升温速率相同；所述高温区与低温区的降温速率相同；所述高温区和低温度的保温时间相同。优选的，所述连续温区垂直管式炉包括双层石英管、垂直炉加热腔和管式炉底座；所述双层石英管的内层石英管的底部为锥形；所述双层石英管的外层石英管为平底。优选的，所述内层石英管的内部装有制备P型SnSe热电材料的混合物料，所述锥形的角度θ≤45°。优选的，所述内层石英管的底部位于连续温区垂直管式炉的低温区水平位置；所述内层石英管的上端位于连续温区垂直管式炉的高温区水平位置。优选的，所述内层石英管的内壁设置有碳层；所述碳层的厚度为0.15～0.25mm。本专利技术还提供了所述的P型SnSe热电材料或由所述的制备方法制备得到的P型SnSe热电材料在废热回收发电、太阳光电复合发电半导体制冷、微型器件精确控温或航天深空探测领域的应用。本专利技术提供了一种P型SnSe热电材料，其特征在于，所述P型SnSe热电材料为Te和Na掺杂的SnSe，Sn、Se、Te和Na的摩尔比为(1-x):(1-y)：y：x；其中，0.015≤x≤0.025，0<y≤0.03。本专利技术提供的P型SnSe热电材料掺杂Te元素能够有效的提高晶体结构的对称性，进而提高载流子的迁移率，掺杂Na元素可以取代Sn原子，进而产生额外的空穴，提高SnSe材料的空穴载流子浓度。根据实施例的记载，本专利技术提供的SnSe材料为P型SnSe，其载流子浓度≥4.0×1019cm-3，载流子迁移率≥260.5cm2V-1s-1，室温功率因子≥55.5μWcm-1K-2，室温ZT值≥0.83，平均ZT值≥1.59，热电转换效率≥19.0％。本专利技术还提供了一种P型SnSe热电材料的制备方法，本专利技术通过垂直温度梯度连续温区定向凝固法制备晶体，可有效的控制晶体尺寸，晶体生长周期短，成功率高。附图说明图1为Te掺杂SnSe晶体结构的示意图；图2为连续温区垂直管式炉的结构示意图；图3为实施例1制备得到的P型SnSe晶体的X射线劳埃衍射图谱；图4为实施例1～4制备得到的P型SnSe晶体的电导率(σ)随温度变化的测试结果数据图；图5为实施例1～4制备得到的P型SnSe晶体的塞贝克系数(S)随温度变化的测试结果数据图；图6为实施例1～4制备得到的P型SnSe晶体的功率因子(PF)随温度变化的测试结果数据图；图7为实施例1～4制备得到的P型SnSe晶体的总热导率(κtot)随温度变化的测试结果数据图；图8为实施例1～4制备得到的P型SnSe晶体的晶格热导率(κlat)随温度变化的测试结果数据图；图9为实施例1～4制备得到的P型SnSe晶体的热电性能优值(ZT)随温度变化的测试结果数据图；图10为实施例5～10和对比例1制备得到的P型SnSe晶体的电导率(σ)随温度变化的测试结果数据图；图11为实施例5～10和对比例1制备得到的P型SnSe晶体的塞贝克系数(S)随温度变化的测试结果数据图；图12为实施例5～10和对比例1制备得到的P型SnSe晶体的功率因子(PF)随温度变化的测试结果数据图；图13为实施例5～10和对比例1制备得到的P型SnSe晶体的总热导率(κtot)随温度变化的测试结果数据图；图14为实施例5～10和对比例1制备得到的P型SnSe晶体的晶格热导率(κlat)随温度变化的测试结果数据图；图15为实施例5～10和对比例1制备得到的P型SnSe晶体的热电性能优值(ZT)随温度变化的测试结果数据图。具体实施方式本专利技术提供了一种P型SnSe热电材料，其特征在于，所述P型SnSe热电材料为Te和Na掺杂的SnSe，Sn、Se、Te和Na的摩尔比为(1-x):(1-y)：y：x；其中，0.015≤x≤0.025，0<y≤0.03。在本专利技术中，所述x的取值范围为0.015≤x≤0.025，优选为0.016≤x≤0.024，更优选为0.018≤x≤0.022；所述y的取值范围为0<y≤0.03，优选为0.01≤y≤0.02。在本专利技术中，所述Te元素能够有效的提高晶体结构的对称性，进而提高载流子的迁移率；具体的由图1所示：由(a)至(b)体现了SnSe材料随温度变化所发生的相转变过程，在温度小于520℃时，SnSe材料为低对称性Pnma相结构，对应迁移率较低；在520℃之后，SnSe发生相转变，为Cmcm结构，对称性高，迁移率提升。因此，在Se位引入Te，在室温下即改变SnSe晶体中的键角，从而提升了室温下SnSe材料的晶体结构对称性，进而实现了热电性能的提升。图1(c)给出了室温下Pnma相SnSe的一个Sn原子周围的成键情况及对应的角1和角2的数值，当引入Te后，一个本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种P型SnSe热电材料，其特征在于，所述P型SnSe热电材料为Te和Na掺杂的SnSe材料，Sn、Se、Te和Na的摩尔比为(1‑x):(1‑y)：y：x；其中，0.015≤x≤0.025，0

【技术特征摘要】
1.一种P型SnSe热电材料，其特征在于，所述P型SnSe热电材料为Te和Na掺杂的SnSe材料，Sn、Se、Te和Na的摩尔比为(1-x):(1-y)：y：x；其中，0.015≤x≤0.025，0<y≤0.03。2.权利要求1所述的P型SnSe热电材料的制备方法，包括以下步骤：按照所述P型SnSe热电材料成分的配比，将Sn、Se、Te和Na进行混合，得到混合物料；将所述混合物料进行热处理，得到P型SnSe热电材料。3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述热处理在真空条件下进行，所述真空条件的真空度≤10-3Pa。4.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述热处理在连续温区垂直管式炉中进行，所述连续温区垂直管式炉分为高温区和低温区；所述高温区先以50～100℃/h的速率升温至1040～1060℃，保温800～1200min；再以0.5～1℃/h的速率降温至780～820℃，最后以10～20℃/h的速率降温至25℃；低温区先以50～100℃/h的速率升温至940～960℃，保温800～1200min；再以0.5～1℃/h的...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵立东，秦炳超，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京,11