米乐m6官方网站 使用硒化银开发在室温附近表现出高性能的热电转换材料

米乐m6官方网站（会长：石村和彦）（以下简称“AIST”）零排放国际协同研究中心（所长：吉野彰）热电转换与热控制研究小组研究员Jude Priyanka、太田道宏首席研究员新能源产业技术综合开发机构（会长：石冢弘明）（以下简称： “NEDO”）“未利用热能创新利用技术研发”项目揭示了硒化银（Ag₂Se)热电转换我们开发了一种材料。

近年来，随着物联网等智能技术的快速发展，利用温差发电的独立电源和利用温差电制冷的局部制冷引起了广泛关注。为了实现这些广泛的应用，必须进一步提高作为热电转换技术核心的热电转换材料的效率。新开发的热电转换材料的高性能归功于传输电荷的晶体结构的稳定性。载体移动性和载流子浓度优化预计将用作物联网电子设备的独立电源以及电气设备的局部冷却。

这项技术的详细内容可以参见英国皇家化学学会2020年5月28日（日本时间）出版的学术期刊材料化学杂志A

热电转换，可以将热和电相互转换，可以将未使用的热能转化为有用的电能热电发电装置并且可以用电精确冷却热电冷却装置近年来，随着物联网等智能技术的快速发展，开发独立电源为电子设备供电以及电子设备的热控制成为问题，人们对热电发电装置和热电制冷装置的期望越来越高。为了热电发电装置的全面普及和热电制冷装置的进一步普及，需要提高作为热电转换技术核心的热电转换材料的效率。热电品质因数 ZT是必不可少的。

NEDO和AIST一直致力于改善热电转换材料的性能以及评估热电发电模块的发电性能。NEDO 新闻公告 2018 年 5 月 22 日) 和用于热电发电测试的标准参考模块 (2020 年 1 月 14 日 AIST 新闻稿) 已开发。此外，AIST还开发了转换效率极高的热电发电模块。2015 年 11 月 26 日、2018 年 5 月 22 日 AIST 新闻稿）。

迄今为止，作为一种可以在室温附近使用的热电转换材料碲化铋 (Bi₂Te₃）已经使用了几十年，但在这次开发中，一种新材料，硒化银（Ag₂Se)。我们致力于通过提高携带电荷的载流子的迁移率和优化载流子浓度来提高热电品质因数ZT。

AIST 的部分开发工作得到了热能与电能技术基金会第 26 期研究补助金的支持。

表现出高发电性能和优异冷却性能的热电转换材料价格昂贵热电功率因数导热系数被要求。银₂Se近年来作为n型热电转换材料得到了积极的研究，因为它的导热率较低，但其热电输出系数较低，并且对于高效率至关重要的ZT仍保持在较低值。

(1)通过原子水平观察调查热电输出系数低的原因

在本次研发中，最先进扫描透射电子显微镜的观察，我们在原子水平上研究了热电输出因子低的原因。结果，如示意图所示，Ag₂Se有原创正交系单斜晶系晶体结构的区域。这种单斜晶体结构区域阻碍了载流子的移动，因此在该样品中，携带电荷的载流子的迁移率为1500cm²V⁻¹s⁻¹。此外，在热电转换材料中，需要优化载流子浓度，但如表1所示，Ag₂Se 60×10¹⁸厘米^-3，对于热电转换材料来说太高了（参见术语“载流子浓度的优化”的解释）。原子水平的观察表明，低载流子迁移率和高载流子浓度导致低热电功率因数。

(2) 通过提高载流子迁移率和降低载流子浓度提高热电品质因数

为了抑制单斜晶体结构，我们利用相图等从热力学角度进行研究，确定了Ag的化学组成₂通过在 Se 中添加稍微过量的硒 (Se) 并添加少量的硫 (S)，我们能够制作出单斜晶体结构的形成受到抑制的样品（示意图）。通过将晶体结构稳定为矩形系统，载流子迁移率增加，如表所示。迁移率由化学成分 Ag 和稍微增加的硒决定₂Se_1.01²V⁻¹s⁻¹，化学成分Ag，硫含量略有增加₂SeS_0.01²V⁻¹s⁻¹由于硒的增加和硫的添加，载流子浓度也降低。他们的结果是提高了热电功率因数。化学成分Ag₂Se_1.01，热电功率因数为高值3000μWm⁻¹K⁻²

通过提高热电功率因数，ZT也有所提高，如示意图所示，在100℃时，化学成分Ag₂Ag 的硒含量从 04 的 Se 开始增加₂硒_1.0110，添加硫的银₂SeS_0.01改进至 09这个值是唯一实用材料Bi₂特₃（图1）。我们证明，通过使用在纳米级别控制结构的新材料设计指南，可以大大提高可在室温附近使用的热电转换材料的ZT。

未来计划

◆未利用热能创新利用技术研发

项目负责人：Haruhiko Ohara（AIST 能源环境部部长）
业务概述：我们对未利用的热能进行创新利用技术的研究和开发。
https://wwwnedogojp/activities/ZZJP_100097html
项目期间：2013财年至2022财年（其中2013财年至2014财年由经济产业省实施）[返回来源]

◆热电转换、热电发电装置、热电制冷装置

热电转换是电和热能的相互转换，表现出这种现象的材料称为热电转换材料。热电发电装置利用塞贝克效应，通过在金属和热电转换材料的接合处产生温差来产生电动势。热电冷却装置利用珀耳帖效应，当电流通过电极金属和热电转换材料之间的接合处时，该效应导致结的温度下降（吸热）或上升（热辐射）。有携带电荷的载流子为带正电的空穴的p型热电转换材料和携带电荷的载流子为带负电的电子的n型热电转换材料。[返回来源]

◆载流子迁移率、载流子浓度、载流子浓度的优化

载流子迁移率μ是表示载流子移动的难易程度的量。载流子浓度n是每单位体积的载流子数量。电阻率ρ可以表示为1/ρ=enμ。这里，e是载流子电荷。塞贝克系数S主要取决于载流子浓度，为S∝1/n。迁移率越高，电阻率越低，热电品质因数ZT越高。如果载流子浓度太高，则塞贝克系数会低，如果载流子浓度太低，则电阻率会高，因此载流子浓度存在一个最佳值。[返回来源]

◆材料化学杂志A

普通化学 一本高度专业化的同行评审学术期刊，涵盖与能源和可持续发展相关的材料化学研究。
https://wwwrscorg/journals-books-databases/about-journals/journal-of-materials-chemistry-a/ [返回来源]

◆热电品质因数（ZT）、热电功率因数、热导率

热电品质因数ZT，是热电转换材料的性能指标，为ZT=S²定义为 T/ρκ。该ZT越高，发电性能和冷却性能越高。其中，S 是塞贝克系数，ρ 是电阻率，κ 是热导率。 S²/ρ是与输出功率相关的术语，称为热电输出因子。[返回来源]

◆碲化铋(Bi₂特₃）

由铋和碲组成的化合物半导体。它在室温至200℃的温度范围内表现出较高的热电品质因数，目前被广泛用作热电转换材料。[返回来源]

◆扫描透射电子显微镜

您可以通过用聚焦电子束扫描和照射目标并检测从目标发射的透射电子来观察目标。您可以观察纳米尺度的原子排列。[返回来源]

◆正交晶系、单斜晶系

晶体结构是指原子的排列方式，根据其对称性分为正交晶系、立方晶系、单斜晶系等七种类型。银₂Se在室温下具有矩形晶体结构，但在约134℃时发生相变至立方晶体结构。此外，单斜晶体结构作为亚稳相存在。[返回来源]