Realizing high-efficiency thermoelectric module by suppressing donor-like effect and improving preferred orientation in n-type Bi2(Te, Se)3

热电效应 材料科学 热电冷却 热电发电机 热电材料 光电子学 微晶 技术 复合材料 工程物理 冶金 热导率 热力学 电离层 物理 工程类 天文
作者
Yichen Li,Shulin Bai,Yi Wen,Zhe Zhao,Lei Wang,Shibo Liu,Junqing Zheng,Siqi Wang,Shan Liu,Dezheng Gao,Dongrui Liu,Yingcai Zhu,Qian Cao,Xiang Gao,Hongyao Xie,Li‐Dong Zhao
出处
期刊:Science Bulletin [Elsevier]
卷期号:69 (11): 1728-1737 被引量:35
标识
DOI:10.1016/j.scib.2024.04.034
摘要

Thermoelectric materials have a wide range of application because they can be directly used in refrigeration and power generation. And the Bi2Te3 stand out because of its excellent thermoelectric performance and are used in commercial thermoelectric devices. However, n-type Bi2Te3 has seriously hindered the development of Bi2Te3-based thermoelectric devices due to its weak mechanical properties and inferior thermoelectric performance. Therefore, it is urgent to develop a high-performance n-type Bi2Te3 polycrystalline. In this work, we employed interstitial Cu and the hot deformation process to optimize the thermoelectric properties of Bi2Te2.7Se0.3, and a high-performance thermoelectric module was fabricated based on this material. Our combined theoretical and experimental effort indicates that the interstitial Cu reduce the defect density in the matrix and suppresses the donor-like effect, leading to a lattice plainification effect in the material. In addition, the two-step hot deformation process significantly improves the preferred orientation of the material and boosts the mobility. As a result, a maximum ZT of 1.27 at 373 K and a remarkable high ZTave of 1.22 across the temperature range of 300−425 K are obtained. The TEG (7-pair) and TEC (127-pair) modules were fabricated with our n-type textured Cu0.01Bi2Te2.7Se0.3 coupled with commercial p-type Bi2Te3. The TEC module demonstrates superior cooling efficiency compared to the commercial Bi2Te3 device, achieving a ΔT of 65 and 83.4 K when the hot end temperature at 300 and 350 K, respectively. In addition, the TEG module attains an impressive conversion efficiency of 6.5% at a ΔT of 225 K, which is almost the highest value among the reported Bi2Te3-based TEG modules.
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