Suppressing bipolar effect to broadening the optimum range of thermoelectric performance for p-type bismuth telluride–based alloys via calcium doping

材料科学 放电等离子烧结 热电效应 热电材料 兴奋剂 微观结构 碲化铋 凝聚态物理 光电子学 热导率 大气温度范围 声子 复合材料 热力学 物理
作者
M. Usman Muzaffar,Baohui Zhu,Qun Yang,Yi Zhou,Shunhong Zhang,Z. Zhang,Jiaqing He
出处
期刊:Materials Today Physics [Elsevier BV]
卷期号:9: 100130-100130 被引量:74
标识
DOI:10.1016/j.mtphys.2019.100130
摘要

Bi2Te3-based alloys are well-known thermoelectric materials near room temperature. However, the strong intrinsic excitations above 400 K seriously deteriorate its thermoelectric performance, which limits their applications as thermoelectric power generators. To conquer this problem, we report herein Ca-doped Bi0.5Sb1.5Te3 alloys prepared by spark plasma sintering that combines intrinsic point defect and multiscale microstructure engineering. Ca doping suppresses the detrimental bipolar effect at elevated temperatures by increasing the hole concentrations. Furthermore, by detailed electron microscopy investigations, combined with theoretical analysis on phonon transports, we propose that ultralow thermal conductivity is attributed to the strong phonon scatterings in a wide frequency range via tuning multiscale microstructures, which include nanoprecipitates, dislocations, and stacking faults caused by Ca doping. As a result, a peak ZT value of 1.3 at 400 K was obtained, with a state-of-the-art average ZT value of 1.21 between 300 and 500 KK in Bi0.48Ca0.02Sb1.5Te3. These results demonstrate the efficacy of the multiple synergies that can also be applied to optimize other thermoelectric materials.
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