Highly efficient thermoelectric cooling performance of ultrafine-grained and nanoporous materials

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作者
Liangjun Xie,Jiawei Yang,Ziyu Liu,Ziyu Liu,Nuo Qu,Xingyan Dong,Jianbo Zhu,Wenjing Shi,Hao Wu,Hao Wu,Guyang Peng,Fengkai Guo,Yang Zhang,Wei Cai,Haijun Wu,Haijun Wu,Hangtian Zhu,Huaizhou Zhao,Zihang Liu,Zihang Liu
出处
期刊:Materials Today [Elsevier BV]
卷期号:65: 5-13 被引量:78
标识
DOI:10.1016/j.mattod.2023.03.021
摘要

Nanograins and pores, as two common microstructural defects, are capable to impede phonon transport. However, thus far, the stability of nanograins at elevated temperature and the feasibility of porosity in boosting the figure of merit ZT are still concerned in thermoelectrics. Herein, we report that a specifically designed microstructure mainly consisting of ultrafine grains within the nanocrystalline regime and randomly distributed pores in α-MgAgSb gives rise to an ultralow lattice thermal conductivity ∼0.46 W m−1 K−1 at 300 K that breaks the limit of the estimated minimum value. Associated with a slightly deteriorated electrical performance, an unprecedented performance, ZT ∼0.94 at 300 K and ZTave ∼1.16, are realized. Benefiting from optimized α-MgAgSb in this work and Mg3.2(Bi, Sb)2 material to fabricate a Peltier module, we can achieve a high maximum temperature difference ΔTmax ∼52 K and a maximum coefficient of performance COP ∼8.3 at hot-side temperature Th = 300 K, outperforming these previously reported non-Bi2Te3 modules. This is, to our knowledge, the first demonstration of high performance thermoelectric modules mediated by the utilization of ultrafine grains and nanoporous structures, which provides a swift pathway to accelerate the wide employment of thermoelectric cooling technology in modern society.
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