Broad Temperature Plateau for High Thermoelectric Properties of n-Type Bi2Te2.7Se0.3 by 3D Printing-Driven Defect Engineering

材料科学 热电效应 热电材料 热电发电机 塞贝克系数 功勋 热导率 光电子学 声子散射 大气温度范围 声子 能量转换效率 纳米技术 复合材料 凝聚态物理 热力学 物理
作者
Qiujun Hu,Ding Luo,Junbiao Guo,Wenbin Qiu,Xiaoyong Wu,Lei Yang,Zhengshang Wang,Xudong Cui,Jun Tang
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:15 (1): 1296-1304 被引量:17
标识
DOI:10.1021/acsami.2c19131
摘要

High-energy-conversion Bi2Te3-based thermoelectric generators (TEGs) are needed to ensure that the assembled material has a high value of average figure of merit (ZTave). However, the inferior ZTave of the n-type leg severely restricts the large-scale applications of Bi2Te3-based TEGs. In this study, we achieved and reported a high peak ZT (1.33) of three-dimensional (3D)-printing n-type Bi2Te2.7Se0.3. In addition, a superior ZTave of 1.23 at a temperature ranging from 300 to 500 K was achieved. The high value of ZTave was obtained by synergistically optimizing the electronic- and phonon-transport properties using the 3D-printing-driven defect engineering. The nonequilibrium solidification mechanism facilitated the multiscale defects formed during the 3D-printed process. Among the defects formed, the nanotwins triggered the energy-filtering effect, thus enhancing the Seebeck coefficient at a temperature range of 300-500 K. The effective scattering of wide-frequency phonons by multiscale defects reduced the lattice thermal conductivity close to the theoretical minimum of ∼0.35 W m-1 k-1. Given the advantages of 3D printing in freeform device shapes, we assembled and measured bionic honeycomb-shaped single-leg TEGs, exhibiting a record-high energy conversion efficiency (10.2%). This work demonstrates the great potential of defect engineering driven by selective laser melting 3D-printing technology for the rational design of advanced n-type Bi2Te2.7Se0.3 thermoelectric material.
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