用于实现高热电性能的载流子浓度的自调整制造技术

发明专利技术人在本文中展示均质的掺杂Ag的PbTe/Ag2Te复合物呈现高热电性能（掺杂超过约50%La的复合物），其与PbTe基质中的Ag的随温度而变的溶解度引起的掺杂浓度的固有温度产生的梯度相关联。这种方法提供一种用于实现给定材料系统提供的较高热电效率的新机制，并且一般可应用于其他热电材料。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及具有高热电性能的热电材料。
技术介绍
由于由非本征掺杂剂的与温度无关的活性引起的几乎恒定的载流子密度，故热电材料的掺杂通常导致性能只在小的温度窗口中最优化。具有掺杂剂的组分梯度的功能梯度材料可以提高性能，但是很难制造。因此，在本领域中需要一种用于实现给定材料系统提供的较高热电效率的新机制。
技术实现思路
在某些实施方案中，本专利技术教导一种包括过量掺杂剂的复合物，其中过量掺杂剂具有随着温度(T)的增加而增加的溶解限度。在一些实施方案中，复合物包括PbTe/Ag2Te。在一些实施方案中，过量掺杂剂包括Ag。在一些实施方案中，随着T的增加而增加的溶解限度在高热电性能的温度范围内。在一些实施方案中，复合物具有在750K下不小于1.4的无量纲优值(zT)。在某些实施方案中，复合材料中掺杂剂的随温度而变的溶解限度导致随着T的增加而增加的载流子浓度(η)。在某些实施方案中，复合物用下式表不:(AgxPbTe)a 945 (Ag2Te)atl55t5在一些实施方案中，0.005彡X彡0.1。在一些实施方案中，复合物选自由以下组成的组:PbTe/Ag2Te、PbTe/Ag2Se、PbTe/Cu2Te、PbTe/Cu2Se、PbSe/Ag2Te、PbSe/Cu2Te、PbSe/Ag2Se、PbSe/Cu2Se、PbTe/CdTe、PbTe/MnTe、PbSe/CdSe、PbSe/MnSe、CoSb3/InSb、CoSb3/GaSb、GeSi/B、GeSi/P、Zn4Sb3/ZnSb、Bi2Te3/In2Te3、Bi2Te3/Ga2Te3、Sb2Te3/In2Te3 和 Sb2Te3/Ga2Te3。在某些实施方案中，掺杂剂选自由以下组成的组:银(Ag)、铜(Cu)、金(Au)、镍(Ni)、锌(Zn)、锂(Li)、钠(Na)、钾(K)、铟(In)、镓(Ga)Jf (B)、磷(P)和砷(As)。在一些实施方案中，本专利技术教导一种制造复合物的方法，包括:加热包括至少第一元素的第一材料和包括至少第二元素的第二材料以形成混合物；冷却混合物以沉淀包含第二元素的纳米内含物；退火混合物；以及用具有随着温度(T)的增加而增加的溶解限度的过量掺杂剂掺杂混合物。在某些实施方案中，第一材料的第一元素包括Pb。在一些实施方案中，第一材料进一步包括Te。在一些实施方案中，纳米内含物的第二元素包括Ag。在一些实施方案中，纳米内含物进一步包括Te。在某些实施方案中，随着T的增加而增加的溶解限度在高热电性能的温度范围内。在一些实施方案中，复合物具有在750K下不小于1.4的无量纲优值(zT)。在一些实施方案中，复合材料中掺杂剂的随温度而变的溶解限度导致随着T的增加而增加的载流子浓度(η)。在某些实施方案中，复合物用下式表不:(AgxPbTe)a 945 (Ag2Te)atl55t5在一些实施方案中，0.005 ^ X ^ 0.1。在一些实施方案中，本专利技术教导一种在热电装置中使用复合物的方法，其中热电装置包括复合物，复合物包括过量掺杂剂，并且其中掺杂剂具有在高热电性能的温度范围内的随着温度(T)的增加而增加的溶解限度。在某些实施方案中，方法进一步包括:将温度梯度应用于热电装置；以及收集电能。在某些实施方案中，复合物包括PbTeAg2Te。在某些实施方案中，掺杂剂包括Ag。在一些实施方案中，随着T的增加而增加的溶解限度在高热电性能的温度范围内。在一些实施方案中，复合物具有在750Κ下不小于1.4的无量纲优值(zT)。在一些实施方案中，复合材料中掺杂剂的随温度而变的溶解限度导致随着温度(T)的增加而增加的载流子浓度(η)。在某些实施方案中，复合物用下式表示:(AgxPbTe) ο.945 (Ag2Te) ο.055 0 在某些实施方案中，0.005 ^ 0.10在某些实施方案中，复合物选自由以下组成的组:PbTe/Ag2Te、PbTe/Ag2Se, PbTe/Cu2Te、PbTe/Cu2Se、PbSe/Ag2Te、PbSe/Cu2Te、PbSe/Ag2Se、PbSe/Cu2Se、PbTe/CdTe、PbTe/MnTe, PbSe/CdSe、PbSe/MnSe、CoSb3/InSb、CoSb3/GaSb、GeSi/B、GeSi/P、Zn4Sb3/ZnSb、Bi2Te3/In2Te3、Bi2Te3/Ga2Te3、Sb2T e3/In2Te3 和 Sb2Te3/Ga2Te3。在一些实施方案中，掺杂剂选自由以下组成的组:银(Ag)、铜(Cu)、金(Au)、镍(Ni)、锌(Zn)、锂(Li)、钠(Na)、钾(K)、铟(In)、镓(Ga)、硼(B)、磷(P)、砷(As)。附图说明图1展示根据本专利技术的实施方案的随温度而变的塞贝克系数(a)、电导率(b)、霍尔系数(C)和热导率(d)。(a)、(b)和(c)中的实线(蓝色)示出双带模型解决方案。图2展示根据本专利技术的实施方案的AgatllPbTeAg2Te的反向散射图像。深色较薄的玻片为Ag2Te并且黑点为金属Ag。图3展示根据本专利技术的实施方案的(a)与在300K[19]和750Κ下由SPB (实线)模型和SKB (虚线)模型获得的Pisarenko关系比较的S与nH的关系，(b)随温度而变的有效质量(SPB)。图4展示根据本专利技术的实施方案的由双带模型获得的随温度而变的传输参数。减少的化学势ξ (a)、非本征电子密度\03)、电子迁移率yn(c)和晶格/双极热导率Kb (d)。图5展示根据本专利技术的实施方案的(a)在不同温度下计算出的ZT与的关系，以及(b)在掺杂 Ag 的(PbTe) M45(Ag2Te)atl5 与掺杂 2%La 的(PbTe)a 945 (Ag2Te)atl5 之间的 zT的比较。最优的zT曲线表示这个系统内的最好的功能梯度材料，并且在掺杂Ag的复合物中几乎得以实现。具体实施例方式本文引用的所有参考文献以引用的方式整体并入本文，引用的程度就如同充分的陈述一般。除非另有定义，否则本文所用的技术和科学术语具有与本专利技术所属的本领域普通技术人员通常理解的相同的意义。高效率热电(TE)发电器需要在大的温度范围内维持的高料位优值ZT=S2 ο T/(K E+ K L) [I]。塞贝克系数⑶、电导率(σ )和电子热导率(K Ε)是通过载流子浓度(η)敏感地互相依存的，并且因此可以通过调整η获得高平均值ζΤ。通过声子散射最优化η和最小化晶格热导率已经是TE材料的领域中的两种永久策略[2、3]。非等电子的替代(掺杂)通常用于在TE所需的相对较高浓度(通常在1019-1021/cm3之间)下引入自由载流子[4]。这种方法通常导致在操作温度下几乎与温度无关的η [5-7]。然而，最优的载流子密度η_通常随着T的增加而增加，并且因此对于具有固定掺杂剂浓度的给定材料，ζΤ倾向于只在有限的T范围中得以最优化。可以通过在冷接点与热接点之间分级载流子浓度(被称为功能梯度材料)获得较大的性能[10、11]。尽管均质材料通常具有常数η，但是传统的FGM材料具有随着位置改变的组合物。作为在500Κ至750Κ的温度范围中的一种最频繁使用的热电材料，η型PbTe具有在600Κ-700Κ下仅为约IO1Vcm3的[9、10]。因此，掺杂本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2010.10.19 US 61/394,4081.一种包含过量掺杂剂的复合物，其中所述过量掺杂剂具有随着温度(T)的增加而增加的溶解限度。2.如权利要求1所述的复合物，其包含PbTe/Ag2Te。3.如权利要求1所述的复合物,其中所述过量掺杂剂包含Ag。4.如权利要求1所述的复合物，其中随着T的增加而增加的所述溶解限度在高热电性能的温度范围内。5.如权利要求1所述的复合物，其中所述复合物具有在750K下不小于1.4的无量纲优值(zT)。6.如权利要求1所述的复合物，其中所述复合材料中所述掺杂剂的所述随温度而变的溶解限度导致随着T的增加而增加的载流子浓度(η)。7.如权利要求1所述的复合物，其中所述复合物用下式表示:(AgxPbTe) ο.945 (Ag2Te)。.055。8.如权利要求7所述的复合物，其中0.005 < X < 0.1。9.如权利要 求1所述的复合物，其中所述复合物选自由以下组成的组:PbTe/Ag2Te、PbTe/Ag2Se、PbTe/Cu2Te、PbTe/Cu2Se、PbSe/Ag2Te、PbSe/Cu2Te、PbSe/Ag2Se、PbSe/Cu2Se、PbTe/CdTe、PbTe/MnTe、PbSe/CdSe、PbSe/MnSe、CoSb3/InSb、CoSb3/GaSb、GeSi/B、GeSi/P、Zn4Sb3/ZnSb、Bi2Te3/In2Te3、Bi2Te3/Ga2Te3、Sb2Te3/In2Te3 和 Sb2Te3/Ga2Te3。10.如权利要求1所述的复合物，其中所述掺杂剂选自由以下组成的组:银(Ag)、铜(Cu)、金(Au)、镍(Ni)、锌(Zn)、锂(Li)、钠(Na)、钾⑷、铟(In)、镓(Ga)、硼⑶、磷(P)和砷(As)。11.一种制造复合物的方法，其包括: 加热包含至少第一元素的第一材料和包含至少第二元素的第二材料以形成混合物； 冷却所述混合物以沉淀包含所述第二元素的纳米内含物； 退火所述混合物；以及 用具有随着温度(T)的增加而增加的溶解限度的过量掺杂剂掺杂所述混合物。12.如权利要求11所述的方法，其中所述第一材料的所述第一元素包含Pb。13.如权利要求12所述的方法，其中所述第一材料进一步包含Te。14.如权利要求11所述的方法，其中所述纳米内含物的所述第二元素包含Ag。15.如权利要求14所述的方法，其中所述纳米内含物进一步包含Te。16.如权利要求11所述的方法，其中随着T的增加...

【专利技术属性】
技术研发人员：G·杰弗里·斯奈德，裴艳中，
申请(专利权)人：加利福尼亚理工学院，
类型：
国别省市：