Defect Engineering Boosted Ultrahigh Thermoelectric Power Conversion Efficiency in Polycrystalline SnSe

材料科学 热电效应 微晶 热电材料 功勋 声子 凝聚态物理 塞贝克系数 声子散射 热导率 空位缺陷 光电子学 散射 能量转换效率 光学 复合材料 热力学 冶金 物理
作者
Vaithinathan Karthikeyan,Saw Lin Oo,James Utama Surjadi,Xiaocui Li,Vaskuri C. S. Theja,K. Venkatramanan,Siu Chuen Lau,Yang Lü,Kwok Ho Lam,Vellaisamy A. L. Roy
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:13 (49): 58701-58711 被引量:27
标识
DOI:10.1021/acsami.1c18194
摘要

Two-dimensional (2D)-layered atomic arrangement with ultralow lattice thermal conductivity and ultrahigh figure of merit in single-crystalline SnSe drew significant attention among all thermoelectric materials. However, the processing of polycrystalline SnSe with equivalent thermoelectric performance as single-crystal SnSe will have great technological significance. Herein, we demonstrate a high zT of 2.4 at 800 K through the optimization of intrinsic defects in polycrystalline SnSe via controlled alpha irradiation. Through a detailed theoretical calculation of defect formation energies and lattice dynamic phonon dispersion studies, we demonstrate that the presence of intrinsically charged Sn vacancies can enhance the power factor and distort the lattice thermal conductivity by phonon-defect scattering. Supporting our theoretical calculations, the experimental enhancement in the electrical conductivity leads to a massive power factor of 0.9 mW/mK2 and an ultralow lattice thermal conductivity of 0.22 W/mK through the vacancy-phonon scattering effect on polycrystalline SnSe. The strategy of intrinsic defect engineering of polycrystalline thermoelectric materials can increase the practical implementation of low-cost and high-performance thermoelectric generators.
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