Achieving High Thermoelectric Figure of Merit in Polycrystalline SnSe via Introducing Sn Vacancies

化学 功勋 微晶 热电效应 热电材料 纳米技术 光电子学 工程物理 结晶学 热力学 物理 材料科学
作者
Wei Wei,Cheng Chang,Teng Yang,Jizi Liu,Qiang Cai,Jian Zhang,Yusheng Li,Feng Xu,Zhidong Zhang,Jing‐Feng Li,Guodong Tang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:140 (1): 499-505 被引量:200
标识
DOI:10.1021/jacs.7b11875
摘要

Thermoelectric power generation technology has emerged as a clean "heat engine" that can convert heat to electricity. Recently, the discovery of an ultrahigh thermoelectric figure of merit in SnSe crystals has drawn a great deal of attention. In view of their facile processing and scale-up applications, polycrystalline SnSe materials with ZT values comparable to those of the SnSe crystals are greatly desired. Here we achieve a record high ZT value ∼2.1 at 873 K in polycrystalline Sn1-xSe with Sn vacancies. We demonstrate that the carrier concentration increases by artificially introducing Sn vacancies, contributing significantly to the enhancements of electrical conductivity and thermoelectric power factor. The detailed analysis of the data in the light of first-principles calculations results indicates that the increased carrier concentration can be attributed to the Sn-vacancy-induced Fermi level downshift and the interplay between the vacancy states and valence bands. Furthermore, vacancies break translation symmetry and thus enhance phonon scattering, leading to extralow thermal conductivity. Such high ZT value ∼2.1 is achieved by synergistically optimizing both electrical- and thermal-transport properties of polycrystalline SnSe. The vast increase in ZT for polycrystalline SnSe may accelerate practical applications of this material in highly effective solid-state thermoelectric devices.
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