High thermoelectric performance in n-type bismuth sulfide by carrier concentration tuning and dense nanodomains

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作者
Yahui Zhu,Xinyu Wang,Yalong Shen,Xu Yang,Feng Du,Jian Yang
出处
期刊:Journal of The European Ceramic Society [Elsevier]
标识
DOI:10.1016/j.jeurceramsoc.2024.02.025
摘要

Bi2S3 is regarded as one of the most promising thermoelectric materials because of its abundance, cost-effectiveness and environmentally friendly characteristics. This work delves into the impact of interstitial Cu on the composition, microstructure, and thermoelectric properties of the Cl-doped Bi2S3 bulks. The introduction of interstitial Cu as donors generates free electrons without compromising electron mobility. The excessive Cu induces the precipitation of Cu/Bi-rich phase and the Cu ions dynamically diffuse from these precipitates into the Bi2S3 lattice with increasing temperature. This effect significantly enhances electrical conductivity and power factor across a broad temperature range. Intriguingly, dense nanodomains are successfully constructed in the Bi2S3 sample. This unique defect, coupled with interstitial Cu, nanodomains, precipitates, and dislocations, establishes the hierarchical structures, leading to a low lattice thermal conductivity of 0.34 W m−1 K−1. Notably, the sample incorporating 4 at.% Cu achieves an exceptional peak ZT value of 0.67 at 673 K.
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