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High Thermoelectric Performance of p-Type SnTe via a Synergistic Band Engineering and Nanostructuring Approach

热电效应 热电材料 塞贝克系数 带隙 功勋 电子能带结构 化学 凝聚态物理 光电子学 热导率 电阻率和电导率 纳米技术 材料科学 工程物理 热力学 复合材料 电气工程 物理 工程类
作者
Gangjian Tan,Li‐Dong Zhao,Fengyuan Shi,Jeff W. Doak,Shih‐Han Lo,Hui Sun,Chris Wolverton,Vinayak P. Dravid,Ctirad Uher,Mercouri G. Kanatzidis
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:136 (19): 7006-7017 被引量:649
标识
DOI:10.1021/ja500860m
摘要

SnTe is a potentially attractive thermoelectric because it is the lead-free rock-salt analogue of PbTe. However, SnTe is a poor thermoelectric material because of its high hole concentration arising from inherent Sn vacancies in the lattice and its very high electrical and thermal conductivity. In this study, we demonstrate that SnTe-based materials can be controlled to become excellent thermoelectrics for power generation via the successful application of several key concepts that obviate the well-known disadvantages of SnTe. First, we show that Sn self-compensation can effectively reduce the Sn vacancies and decrease the hole carrier density. For example, a 3 mol % self-compensation of Sn results in a 50% improvement in the figure of merit ZT. In addition, we reveal that Cd, nominally isoelectronic with Sn, favorably impacts the electronic band structure by (a) diminishing the energy separation between the light-hole and heavy-hole valence bands in the material, leading to an enhanced Seebeck coefficient, and (b) enlarging the energy band gap. Thus, alloying with Cd atoms enables a form of valence band engineering that improves the high-temperature thermoelectric performance, where p-type samples of SnCd(0.03)Te exhibit ZT values of ~0.96 at 823 K, a 60% improvement over the Cd-free sample. Finally, we introduce endotaxial CdS or ZnS nanoscale precipitates that reduce the lattice thermal conductivity of SnCd(0.03)Te with no effect on the power factor. We report that SnCd(0.03)Te that are endotaxially nanostructured with CdS and ZnS have a maximum ZTs of ~1.3 and ~1.1 at 873 K, respectively. Therefore, SnTe-based materials could be ideal alternatives for p-type lead chalcogenides for high temperature thermoelectric power generation.
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