Enhancing thermoelectric performance of n-type PbS in a wide temperature range through band engineering and dynamic doping

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作者
Zhenghao Hou,Qiujuan Cui,Xin Qian,Tao Hong,Lizhong Su,Dongyang Wang,Li‐Dong Zhao,Shufang Wang
出处
期刊:Materials Today Physics [Elsevier BV]
卷期号:59: 101907-101907 被引量:1
标识
DOI:10.1016/j.mtphys.2025.101907
摘要

Lead sulfide (PbS) has emerged as a cost-effective and thermally stable alternative to PbTe and PbSe for mid-temperature thermoelectric applications. However, conventional heavy elemental doping strategies often compromise the power factor near 300 K attributed to the enhanced ionized impurity scattering. Herein, we report a synergistic approach to improve the ZT value of n-type PbS by trace InSb doping and Cu dynamic doping. The introduction of trace InSb simultaneously optimizes carrier concentration and effective mass while mitigating mobility loss, resulting in a remarkable enhancement in average power factor from ∼9.43 μW cm −1 K −2 to ∼16.32 μW cm −1 K −2 over 300–773 K. Meanwhile, a marked reduction in lattice thermal conductivity was observed, stemming from intensified phonon scattering caused by In/Sb interstitials. Further Cu doping dynamically regulates carrier concentration as temperature increases, yielding a near threefold surge in carrier mobility at 300 K from ∼166 cm 2 V −1 s −1 to ∼393 cm 2 V −1 s −1 . As a result, Pb 0.99875 (InSb) 0.00125 S+2.0 %Cu achieves a peak ZT value of ∼1.1 and a competitive average ZT value of ∼0.65 across 300–773 K, surpassing most reported n-type PbS-based materials. Ultimately, a single-leg power generation efficiency of 4.1 % was achieved under a temperature difference of 500 K. This study demonstrates a promising route to decouple interrelated thermoelectric parameters and advance PbS-based systems for efficient power generation and thermoelectric cooling applications.
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