Entropy-Induced Multivalley Band Structures Improve Thermoelectric Performance in p-Cu7P(SxSe1–x)6 Argyrodites

材料科学 热电效应 热电材料 塞贝克系数 硒化物 固溶体 电阻率和电导率 热导率 凝聚态物理 热力学 带隙 电子能带结构 相图 相(物质) 光电子学 冶金 物理 复合材料 量子力学
作者
Oleksandr Cherniushok,Taras Parashchuk,J. Toboła,Son D. N. Luu,A.I. Pogodin,O.P. Kokhan,I.P. Studenyak,I. E. Barchiy,M. Piasecki,Krzysztof Wojciechowski
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:13 (33): 39606-39620 被引量:32
标识
DOI:10.1021/acsami.1c11193
摘要

Searching for novel low-cost and eco-friendly materials for energy conversion is a good way to provide widespread utilization of thermoelectric technologies. Herein, we report the thermal behavior, phase equilibria data, and thermoelectric properties for the promising argyrodite-based Cu7P(SxSe1–x)6 thermoelectrics. Alloying of Cu7PSe6 with Cu7PS6 provides a continuous solid solution over the whole compositional range, as shown in the proposed phase diagram for the Cu7PS6–Cu7PSe6 system. As a member of liquid-like materials, the investigated Cu7P(SxSe1–x)6 solid solutions possess a dramatically low lattice thermal conductivity, as low as ∼0.2–0.3 W m–1 K–1, over the entire temperature range. Engineering the configurational entropy of the material by introducing more elements stabilizes the thermoelectrically beneficial high-symmetry γ-phase and promotes the multivalley electronic structure of the valence band. As a result, a remarkable improvement of the Seebeck coefficient and a reduction of electrical resistivity were observed for the investigated alloys. The combined effect of the extremely low lattice thermal conductivity and enhanced power factor leads to the significant enhancement of the thermoelectric figure of merit ZT up to ∼0.75 at 673 K for the Cu7P(SxSe1–x)6 (x = 0.5) sample with the highest configurational entropy, which is around twice higher compared with the pure selenide and almost four times higher than sulfide. This work not only demonstrates the large potential of Cu7P(SxSe1–x)6 materials for energy conversion but also promotes sulfide argyrodites as earth-abundant and environmentally friendly materials for energy conversion.
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