热电晶体硒化铋及其制备方法和热电转换设备技术

本发明专利技术公开了热电晶体Bi2Se3及其制备方法和热电转换设备，其中制备方法包括：(1)将单质Bi和单质Se混料后封入尖头石英管中，然后将尖头石英管置于布里基曼炉中生长点位置以下第一预定位置，设定第一预定温度并保温第一预定时间，其中，布里基曼炉内自下而上包括下温区、隔断区、中温区和上温区，生长点位置位于隔断区上方2mm区域内；(2)将尖头石英管置于布里基曼炉中生长点位置以上第二预定位置，设定第二预定温度并保温第二预定时间，最后将尖头石英管下降至第三预定位置后进行退火，得到热电晶体Bi2Se3。采用该方法得到的热电晶体Bi2Se3具有优异的热电性能，并且其功率因子PF在50℃时达到1300μW/m

【技术实现步骤摘要】
热电晶体硒化铋及其制备方法和热电转换设备


[0001]本专利技术属于能源材料领域，具体涉及一种热电晶体Bi2Se3及其制备方法和热电转换设备。

技术介绍

[0002]随着人类社会的不断发展，能源与环境问题日益严峻，人类社会对化石能源的过分依赖更加刺激了世界范围内开发新能源技术的行动。热电转换技术是最直接简单的可以实现热能和电能直接相互转换的技术，能把太阳能、地热、和交通运输、工业生产及居民生活产生的废热转化成电。热电发电效率主要由材料的无量纲性能优值ZT决定，ZT＝(S2σ/κ)T。由此可见，在一定的温度T下，实现高的高热电效率，往往需要较大的温差电动势S，较高的电导率σ和较低的热导率κ。因此开发具有高热电优值的热电材料对于缓解现在的能源与环境问题具有重要的意义。
[0003]目前使用最广的是碲(Te)基热电半导体材料(Bi2Te3、PbTe)，不仅在温差发电还是室温制冷方面都有广泛的应用。但是Te是地壳内的稀有元素，在地壳中的丰度仅在十亿分之一的数量级，随着含Te材料的大量上市，Te的成本将急剧上升。因此，有必要开发不含Te的高性能热电材料。SnSe、Cu2Se基离子半导体、PbSe基热电半导体等高性能热电材料引起了科研工作者的极大兴趣。Bi2Se3是一种拓扑绝缘体，是室温热电半导体Bi2Te3的姊妹晶体，Bi2Se3基材料在超导、光电等领域有重要的应用，然而因其低的热电优值并没有对其热电性能并没有进行更深入的研究。

技术实现思路

[0004]本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术的一个目的在于提出一种热电晶体Bi2Se3及其制备方法和热电转换设备，采用该方法得到的热电晶体Bi2Se3具有优异的热电性能，并且其功率因子PF在50℃时达到1300μW/m
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K2。
[0005]在本专利技术的一个方面，本专利技术提出了一种制备热电晶体Bi2Se3的方法。根据本专利技术的实施例，所述方法包括：
[0006](1)将单质Bi和单质Se混料后封入尖头石英管中，然后将所述尖头石英管置于布里基曼炉中生长点位置以下第一预定位置，并且设定第一预定温度并保温第一预定时间，其中，所述布里基曼炉内自下而上包括下温区、隔断区、中温区和上温区，所述生长点位置位于所述隔断区上方2mm区域内；
[0007](2)将所述尖头石英管置于布里基曼炉中生长点位置以上第二预定位置，同时设定第二预定温度并保温第二预定时间，最后将所述尖头石英管下降至第三预定位置后进行退火，以便得到热电晶体Bi2Se3。
[0008]根据本专利技术实施例的制备热电晶体Bi2Se3的方法，将单质Bi和单质Se混料后封入尖头石英管中，然后将尖头石英管供给至布里基曼炉中，通过优化尖头石英管在布里基曼炉内的位置以及布里基曼炉内下温区、中温区和上温区的温场，得到的热电晶体Bi2Se3具有
优异的热电性能，并且其功率因子PF在50℃时达到1300μW/m
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K2。
[0009]另外，根据本专利技术上述实施例的制备热电晶体Bi2Se3的方法还可以具有如下附加的技术特征：
[0010]在本专利技术的一些实施例中，在步骤(1)中，所述第一预定位置为所述生长点位置以下50～70mm。由此，可以保证所得热电晶体Bi2Se3具有优异的热点性能。
[0011]在本专利技术的一些实施例中，在步骤(1)中，设定第一预定温度并保温第一预定时间是按照下列进行的：设定所述中温区和所述上温区温度为800～850℃，设定所述下温区温度为850～900℃，并保温12～24h。由此，可以保证所得热电晶体Bi2Se3具有优异的热点性能。
[0012]在本专利技术的一些实施例中，在步骤(3)中，所述第二预定位置为所述生长点位置以上10～20mm。
[0013]在本专利技术的一些实施例中，设定第二预定温度并保温第二预定时间是按照下列进行的：设定所述中温区和所述上温区温度为650～700℃，设定所述下温区温度为530～550℃，并保温12～24h。由此，可以保证所得热电晶体Bi2Se3具有优异的热点性能。
[0014]在本专利技术的一些实施例中，在步骤(2)中，所述第三预定位置为所述尖头石英管中熔体下降至所述生长点位置以下10～20mm。由此，可以保证所得热电晶体Bi2Se3具有优异的热点性能。
[0015]在本专利技术的一些实施例中，伴随着所述尖头石英坩埚的转速为10～20rpm，将所述尖头石英管以0.6～5mm/h的下降速率下降至所述第三预定位置。由此，可以保证所得热电晶体Bi2Se3具有优异的热点性能。
[0016]在本专利技术的一些实施例中，在步骤(2)中，所述退火采用以下方法进行：先将所述中温区和所述上温区以25～40k/h的速率降至500～550℃，然后将所述中温区、所述上温区和所述下温区以25～40k/h的速率降至室温。由此，可以保证所得热电晶体Bi2Se3具有优异的热点性能。
[0017]在本专利技术的一些实施例中，上述方法进一步包括，在将所述单质Bi和所述单质Se混料后封入尖头石英管中之前，预先将所述单质Bi和所述单质Se混料后抽真空进行熔炼，以便得到Bi2Se3多晶体，并将所述Bi2Se3多晶体封入尖头石英管中。
[0018]在本专利技术的一些实施例中，将所述单质Bi和所述单质Se装入圆头石英坩埚后抽真空至不高于1
×
10
‑3Pa。
[0019]在本专利技术的一些实施例中，所述熔炼是在马弗炉中于800～850℃进行12～24小时。
[0020]在本专利技术的一些实施例中，所述隔断区的温度梯度为10～40K/cm。
[0021]在本专利技术的一些实施例中，所述隔断区的高度为30～50mm。
[0022]在本专利技术的第二个方面，本专利技术提出了一种热电晶体Bi2Se3。根据本专利技术的实施例，所述热电晶体Bi2Se3采用上述的方法制备得到。由此，该热电晶体Bi2Se3具有优异的热电性能，并且其功率因子PF在50℃时达到1300μW/m
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K2。
[0023]在本专利技术的第三个方面，本专利技术提出了一种热电转换设备。根据本专利技术的实施例，所述热电转化设备采用上述的热电晶体Bi2Se3制备得到。由此，该热点转化设备具有较高的热电转换效率。
[0024]本专利技术的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。
附图说明
[0025]本专利技术的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
[0026]图1是根据本专利技术一个实施例的制备热电晶体Bi2Se3的方法流程示意图；
[0027]图2是本专利技术中使用的布里基曼炉的部分结构示意图；
[0028]图3是实施例1所得热电晶体Bi2Se3的照片；
[0029]图4是实施例1所得热电晶体Bi2Se3的XRD图谱与Bi2Se3标准图谱对比；
[0030]图5是实施本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种制备热电晶体Bi2Se3的方法，其特征在于，包括：(1)将单质Bi和单质Se混料后封入尖头石英管中，然后将所述尖头石英管置于布里基曼炉中生长点位置以下第一预定位置，并且设定第一预定温度并保温第一预定时间，其中，所述布里基曼炉内自下而上包括下温区、隔断区、中温区和上温区，所述生长点位置位于所述隔断区上方2mm区域内；(2)将所述尖头石英管置于布里基曼炉中生长点位置以上第二预定位置，同时设定第二预定温度并保温第二预定时间，最后将所述尖头石英管下降至第三预定位置后进行退火，以便得到热电晶体Bi2Se3。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述第一预定位置为所述生长点位置以下50～70mm。3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在步骤(1)中，设定第一预定温度并保温第一预定时间是按照下列进行的：设定所述中温区和所述上温区温度为800～850℃，设定所述下温区温度为850～900℃，并保温12～24h。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述第二预定位置为所述生长点位置以上10～20mm；任选地，设定第二预定温度并保温第二预定时间是按照下列进行的：设定所述中温区和所述上温区温度为650～700℃，设定所述下温区温度为530～550℃，并保温12～24h。5.根据权利要求1所述的方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：何佳清，王江舵，胡明远，
申请(专利权)人：深圳热电新能源科技有限公司，
类型：发明
国别省市：