一种高输出功率密度和能量转换效率的SnTe热电材料的制备方法技术

一种高输出功率密度和能量转换效率的SnTe热电材料的制备方法，它涉及SnTe热电材料的制备方法。本发明专利技术要解决现有热电材料输出功率密度和能量转换效率不能同时提高的问题。制备方法：一、按照化学通式为(SnTe)2.94(In2Te3)0.02‑(Cu2Te)3x的化学计量比称取Sn粉、Te粉、In粉和Cu粉；二、将混合物置于高温马弗炉中，在高温度下保温，然后降温并保温，最后随炉冷，得到铸锭；三、将铸锭研磨并置于石墨模具中，在一定温度及压力下烧结，得到In‑Cu共掺杂SnTe热电材料。本发明专利技术适用于高输出功率密度和能量转换效率的SnTe热电材料的制备。

Preparation of SnTe Thermoelectric Materials with High Output Power Density and Energy Conversion Efficiency

A preparation method of SnTe thermoelectric material with high output power density and energy conversion efficiency relates to the preparation method of SnTe thermoelectric material. The invention aims to solve the problem that the output power density and energy conversion efficiency of the existing thermoelectric materials can not be improved simultaneously. The preparation methods are as follows: 1. Sn powder, Te powder, In powder and Cu2Te powder are weighed according to the stoichiometric ratio of (SnTe) 2.94 (In2Te3) 0.02 (Cu2Te) 3x; 2. The mixture is placed in a high temperature muffle furnace, kept warm at high temperature, then cooled and kept warm, and finally with the furnace cooling, the ingot is obtained; 3. The ingot is ground and sintered in a graphite mould at a certain temperature and pressure to obtain I. SnTe thermoelectric materials co-doped with n_Cu. The invention is suitable for the preparation of SnTe thermoelectric materials with high output power density and energy conversion efficiency.

【技术实现步骤摘要】
一种高输出功率密度和能量转换效率的SnTe热电材料的制备方法
本专利技术涉及SnTe热电材料的制备方法。
技术介绍
热电材料能够将热能直接转化成电能。采用热电材料制成的热电器件具有体积小，无噪声，稳定性高，寿命长等优点，可广泛应用于深空探测，工业废热回收发电等领域。输出功率密度和能量转换效率是评价热电材料实际应用潜能的两个重要指标，两者主要由材料的功率因子和热电优值决定。SnTe是一种环境友好的中温热电材料，但本征的高载流子浓度导致其塞贝克系数低、热导率高，因此功率因子和热电优值都较低，限制了其大规模商业应用。Mn-Cu共掺杂提高了SnTe的热电优值，获得了目前最高的能量转换效率9.48％(限定条件:冷端温度为300K，热端温度为870K，腿长为4mm)。但由于功率因子较低，其输出功率密度也较低，仅有2.75Wcm-2。对于热量来源无限制的应用场景，例如太阳能等，高的输出功率密度和能量转化效率同样重要，因此，同时获得高功率因子和高热电优值对提高SnTe应用潜能意义重大。
技术实现思路
本专利技术要解决现有热电材料输出功率密度和能量转换效率不能同时提高的问题，而提供一种高输出功率密度和能量转换效率的SnTe热电材料的制备方法。一种高输出功率密度和能量转换效率的SnTe热电材料的制备方法是按以下步骤进行的：一、按照化学通式为(SnTe)2.94(In2Te3)0.02-(Cu2Te)3x的化学计量比称取Sn粉、Te粉、In粉和Cu粉，然后混合均匀，得到混合物；其中0.04≤x≤0.08；二、将混合物置于石英管内，抽真空后封管，将封好的石英管置于高温马弗炉中，以升温速度为80℃/h～120℃/h，将马弗炉升温至1000℃～1150℃，并在温度为1000℃～1150℃的条件下，保温6h～10h，然后以降温速度为60℃/h～200℃/h，将温度由1000℃～1150℃降至600℃～700℃，并在温度为600℃～700℃的条件下，保温24h～72h，最后随炉冷，得到铸锭；三、将铸锭置于研钵中研磨成细粉，将细粉至于石墨模具中，在温度为600℃～650℃及压力为90MPa～120MPa的条件下，烧结60min～90min，得到In-Cu共掺杂SnTe热电材料，即完成高输出功率密度和能量转换效率的SnTe热电材料的制备方法；所述的细粉粒径为50微米～200微米。本专利技术的有益效果是：本专利技术公开了一种同时提高SnTe热电材料输出功率密度和能量转换效率的方法。一方面，采用极少量的In掺杂，在SnTe价带中引起能级共振效应，大幅提高材料的塞贝克系数，从而保证了较高的功率因子；另一方面，在In掺杂的基础上加入Cu2Te，Cu进入SnTe晶格中，一部分占据Sn的位置，一部分占据晶格间隙位置，对传热声子造成强烈的散射，降低晶格热导率及总热导率，使得材料的热电优值大幅提高。In-Cu共掺在SnTe中实现了能级共振提高功率因子和间隙原子降低晶格热导率的协同作用，同时获得了高的输出功率密度和能量转换效率。在冷端温度为300K、热端温度为870K及腿长为4mm的条件下，能量转换效率和输出功率密度分别达到了8.14％和4.37Wcm-2，进一步提高了SnTe在温差发电领域的实际应用潜能。本专利技术用于一种高输出功率密度和能量转换效率的SnTe热电材料的制备方法。附图说明图1为对比实验一制备的In掺杂SnTe热电材料的电导率曲线图；图2为实施例一制备的In-Cu共掺杂SnTe热电材料的电导率曲线图；图3为实施例二制备的In-Cu共掺杂SnTe热电材料的电导率曲线图；图4为实施例三制备的In-Cu共掺杂SnTe热电材料的电导率曲线图；图5为实施例四制备的In-Cu共掺杂SnTe热电材料的电导率曲线图；图6为实施例五制备的In-Cu共掺杂SnTe热电材料的电导率曲线图；图7为对比实验一制备的In掺杂SnTe热电材料的塞贝克系数曲线图；图8为实施例一制备的In-Cu共掺杂SnTe热电材料的塞贝克系数曲线图；图9为实施例二制备的In-Cu共掺杂SnTe热电材料的塞贝克系数曲线图；图10为实施例三制备的In-Cu共掺杂SnTe热电材料的塞贝克系数曲线图；图11为实施例四制备的In-Cu共掺杂SnTe热电材料的塞贝克系数曲线图；图12为实施例五制备的In-Cu共掺杂SnTe热电材料的塞贝克系数曲线图；图13为对比实验一制备的In掺杂SnTe热电材料的功率因子曲线图；图14为实施例一制备的In-Cu共掺杂SnTe热电材料的功率因子曲线图；图15为实施例二制备的In-Cu共掺杂SnTe热电材料的功率因子曲线图；图16为实施例三制备的In-Cu共掺杂SnTe热电材料的功率因子曲线图；图17为实施例四制备的In-Cu共掺杂SnTe热电材料的功率因子曲线图；图18为实施例五制备的In-Cu共掺杂SnTe热电材料的功率因子曲线图；图19为对比实验一制备的In掺杂SnTe热电材料的总热导率曲线图；图20为实施例一制备的In-Cu共掺杂SnTe热电材料的总热导率曲线图；图21为实施例二制备的In-Cu共掺杂SnTe热电材料的总热导率曲线图；图22为实施例三制备的In-Cu共掺杂SnTe热电材料的总热导率曲线图；图23为实施例四制备的In-Cu共掺杂SnTe热电材料的总热导率曲线图；图24为实施例五制备的In-Cu共掺杂SnTe热电材料的总热导率曲线图；图25为对比实验一制备的In掺杂SnTe热电材料的晶格热导率曲线图；图26为实施例一制备的In-Cu共掺杂SnTe热电材料的晶格热导率曲线图；图27为实施例二制备的In-Cu共掺杂SnTe热电材料的晶格热导率曲线图；图28为实施例三制备的In-Cu共掺杂SnTe热电材料的晶格热导率曲线图；图29为实施例四制备的In-Cu共掺杂SnTe热电材料的晶格热导率曲线图；图30为实施例五制备的In-Cu共掺杂SnTe热电材料的晶格热导率曲线图；图31为对比实验一制备的In掺杂SnTe热电材料的热电优值曲线图；图32为实施例一制备的In-Cu共掺杂SnTe热电材料的热电优值曲线图；图33为实施例二制备的In-Cu共掺杂SnTe热电材料的热电优值曲线图；图34为实施例三制备的In-Cu共掺杂SnTe热电材料的热电优值曲线图；图35为实施例四制备的In-Cu共掺杂SnTe热电材料的热电优值曲线图；图36为实施例五制备的In-Cu共掺杂SnTe热电材料的热电优值曲线图；图37为In-Cu共掺杂SnTe热电材料与其他元素掺杂SnTe热电材料的热电优值对比图，1为未掺杂的SnTe热电材料，2为Cd掺杂SnTe热电材料，3为Ca掺杂SnTe热电材料，4为Mg掺杂SnTe热电材料，5为Mn-Cu共掺杂SnTe热电材料，6为实施例三制备的In-Cu共掺杂SnTe热电材料；图38为In-Cu共掺杂SnTe热电材料与其他元素掺杂SnTe热电材料在300K～873K温度区间平均功率因子和平均热电优值的关系对比图，1为未掺杂的SnTe热电材料，2为Cd掺杂SnTe热电材料，3为Ca掺杂SnTe热电材料，4为Mg掺杂SnTe热电材料，5为Mn-Cu共掺杂SnTe热电材料，6为实施例三制备的In-Cu共掺杂SnTe热电材料；图39为在冷端温度为300K、热端温度为8本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高输出功率密度和能量转换效率的SnTe热电材料的制备方法，其特征在于一种高输出功率密度和能量转换效率的SnTe热电材料的制备方法是按以下步骤进行的：一、按照化学通式为(SnTe)2.94(In2Te3)0.02‑(Cu2Te)3x的化学计量比称取Sn粉、Te粉、In粉和Cu粉，然后混合均匀，得到混合物；其中0.04≤x≤0.08；二、将混合物置于石英管内，抽真空后封管，将封好的石英管置于高温马弗炉中，以升温速度为80℃/h～120℃/h，将马弗炉升温至1000℃～1150℃，并在温度为1000℃～1150℃的条件下，保温6h～10h，然后以降温速度为60℃/h～200℃/h，将温度由1000℃～1150℃降至600℃～700℃，并在温度为600℃～700℃的条件下，保温24h～72h，最后随炉冷，得到铸锭；三、将铸锭置于研钵中研磨成细粉，将细粉至于石墨模具中，在温度为600℃～650℃及压力为90MPa～120MPa的条件下，烧结60min～90min，得到In‑Cu共掺杂SnTe热电材料，即完成高输出功率密度和能量转换效率的SnTe热电材料的制备方法；所述的细粉粒径为50微米～200微米。...

【技术特征摘要】
1.一种高输出功率密度和能量转换效率的SnTe热电材料的制备方法，其特征在于一种高输出功率密度和能量转换效率的SnTe热电材料的制备方法是按以下步骤进行的：一、按照化学通式为(SnTe)2.94(In2Te3)0.02-(Cu2Te)3x的化学计量比称取Sn粉、Te粉、In粉和Cu粉，然后混合均匀，得到混合物；其中0.04≤x≤0.08；二、将混合物置于石英管内，抽真空后封管，将封好的石英管置于高温马弗炉中，以升温速度为80℃/h～120℃/h，将马弗炉升温至1000℃～1150℃，并在温度为1000℃～1150℃的条件下，保温6h～10h，然后以降温速度为60℃/h～200℃/h，将温度由1000℃～1150℃降至600℃～700℃，并在温度为600℃～700℃的条件下，保温24h～72h，最后随炉冷，得到铸锭；三、将铸锭置于研钵中研磨成细粉，将细粉至于石墨模具中，在温度为600℃～650℃及压力为90MPa～120MPa的条件下，烧结60min～90min，得到In-Cu共掺杂SnTe热电材料，即完成高输出功率密度和能量转换效率的SnTe热电材料的制备方法；所述的细粉粒径为50微米～200微米。2.根据权利要求1所述的一种高输出功率密度和能量转换效率的SnTe热电材料的制备方法，其特征在于步骤二中以升温速度为100℃/h～120℃/h，将马弗炉升温至1000℃～1100℃。3.根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：隋解和，郭逢凯，蔡伟，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23