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熱電技術可實現(xiàn)熱能與電能直接相互轉換，具有純固態(tài)、無噪音、無運動部件等優(yōu)點，在諸如深空探測等領域已實現(xiàn)重要應用。當前熱電技術規(guī)模化應用瓶頸在于轉換效率偏低，中國科學院寧波材料技術與工程研究所光電熱功能材料與器件團隊聚焦熱電性能優(yōu)化、器件設計制備以及系統(tǒng)集成應用研究，并取得了一系列進展。

針對當前唯一實現(xiàn)商用化的Bi2Te3熱電材料，該團隊利用大數(shù)據(jù)優(yōu)選具備納米活性的籠狀物材料進行第二相摻雜，實現(xiàn)了電聲差異散射，進一步設計缺陷工程摻雜提升功率因子，解決了該類體系中電-熱強烈耦合的共性問題，制備了工業(yè)級(40mm)高性能樣品(熱電器件效率較商業(yè)產品提升約75%)。相關成果以High-Performance Industrial-Grade p-Type (Bi,Sb)2Te3 Thermoelectric Enabled by a Stepwise Optimization Strategy為題，發(fā)表在《先進材料》(Advanced Materials?2023, e2300338)上。

針對中溫區(qū)典型材料SnTe和GeTe，該研究提出了中熵工程的優(yōu)化方案，設計了適當?shù)墓倘茉睾凸倘軡舛染_調控體系的結構熵，提升了材料功率因子并降低晶格熱導率，實現(xiàn)了電-熱輸運的部分解耦。得益于電聲輸運性能協(xié)同優(yōu)化，SnTe峰值ZT達到@800K，平均ZT達到(300-800K)，為該體系當前報道最高值；GeTe峰值ZT達@650K，均值ZT高達(300-773K)。相關成果分別以High-Performance Thermoelectric Material and Module Driven by Medium-Entropy Engineering in SnTe和Enhanced Thermoelectric Performance in GeTe by Synergy of Midgap state and Band Convergence為題，發(fā)表在《先進功能材料》(Advanced Functional Materials?2022, 32, 2205458/2023, 33, 2212421)上。

針對中高溫區(qū)類金剛石銀基/銅基材料，該團隊對于令人困惑的熱導率異常問題進行了理論澄清。研究通過探討原子軌道、晶體場、局域四面體畸變等因素對電子結構的影響發(fā)現(xiàn)，在銀基材料(AgBX2)中存在陰離子與兩種陽離子成鍵強度的錯配，由此引起強烈的非簡諧性晶格振動，導致銀基材料晶格熱導率較銅基材料(CuBX2)低50%-80%。相關成果以Mismatched atomic bonds and ultralow thermal conductivity in Ag-based ternary chalcopyrites為題，發(fā)表在《物理評論B》(Physical Review B?2023, 107, 115202)上。

研究工作得到國家自然科學基金、中國科學院青年創(chuàng)新促進會、浙江省高水平人才專項支持計劃、浙江省自然科學基金和浙江省重點研發(fā)計劃的支持。

圖1.(a)ZT值對比及工業(yè)級樣品實物圖；(b)器件示意圖及最大轉換效率對比

圖2.(a)同時實現(xiàn)高載流子遷移率和低晶格熱導率；(b)共振能級和能帶收斂示意圖

圖3.(a)CuInTe2/AgInTe2電子態(tài)密度以及各元素軌道分波電子態(tài)密度；(b)兩種材料的晶格熱導率計算與實驗對比

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