Realizing High Thermoelectric Performance in p-Type SnSe through Crystal Structure Modification

热电效应 塞贝克系数 化学 热电材料 晶体结构 价(化学) 电阻率和电导率 非谐性 凝聚态物理 热导率 结晶学 材料科学 热力学 电气工程 工程类 物理 有机化学 复合材料
作者
Bingchao Qin,Dongyang Wang,Wenke He,Yang Zhang,Haijun Wu,Stephen J. Pennycook,Li‐Dong Zhao
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:141 (2): 1141-1149 被引量:179
标识
DOI:10.1021/jacs.8b12450
摘要

The simple binary compound SnSe has been reported as a robust thermoelectric material for energy conversion by showing strong anharmonicity and multiple electronic valence bands. Herein, we report a record-high average ZT value of ∼1.6 at 300-793 K with maximum ZT values ranging from 0.8 at 300 K to 2.1 at 793 K in p-type SnSe crystals. This remarkable thermoelectric performance arises from the enhanced power factor and lowered lattice thermal conductivity through crystal structure modification via Te alloying. Our results elucidate that Te alloying increases the carrier mobility by making the bond lengths more nearly equal and sharpening the valence bands; meanwhile, the Seebeck coefficient remains large due to multiple valence bands. As a result, a record-high power factor of ∼55 μW cm-1 K-2 at 300 K is achieved. Additionally, Te alloying promotes Sn atom displacements, thus leading to a lower lattice thermal conductivity. Our conclusions are well supported by electron localization function calculations, the Callaway model, and structural characterization via aberration-corrected scanning transmission electron microscopy. Our approach of modifying crystal structures could also be applied in other low-symmetry thermoelectric materials and represents a new strategy to enhance thermoelectric performance.
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