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Off-Center Distortions and Resonant Levels: A Pathway to Enhance Power Generation and Thermoelectric Cooling in PbSe Crystals

化学 中心(范畴论) 塞贝克系数 热电效应 热电冷却 功率(物理) 热电材料 光电子学 结晶学 热力学 物理
作者
Siqi Wang,Shulin Bai,Pengpeng Chen,Shaoping Zhan,Yu Tian,Lei Wang,Dongrui Liu,Jiayi Peng,Yichen Li,Dezheng Gao,Tian Gao,Zhiyao Zhang,Zhan Si,Yuxiang Wei,Hongyao Xie,Xiang Gao,Yingcai Zhu,Yi Wen,Li‐Dong Zhao
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/jacs.5c03732
摘要

The scarcity of tellurium (Te) poses significant challenges to the widespread application of Bi2Te3-based thermoelectric systems. In this work, we investigated the potential of Te-free PbSe for thermoelectric applications by optimizing carrier mobility through crystal growth and a two-step strategy of light alloying and doping. First, Cd alloying was employed to reduce the lattice thermal conductivity (κlat) of n-type PbSe through the off-center effect while preserving carrier mobility. Subsequent In doping enhanced the effective mass via the resonant level formation, achieving a high weighted mobility-to-κlat ratio (μW/κlat∼338.4) and a large power factor of 36.7 μW cm-1 K-2 at 300 K in the Pb0.9972Se-0.008Cd-0.0008In crystal. Due to the reduced lattice thermal conductivity and largely promoted μW/κlat value, the optimized Pb0.9972Se-0.008Cd-0.0008In crystal exhibited a large ZT value of ∼0.5 at 300 K, a maximum ZT value of ∼1.3 at 673 K, and an average ZT value of ∼1.1 (300-773 K). Additionally, a thermoelectric generator based on the Pb0.9972Se-0.008Cd-0.0008In crystal achieves a power generation efficiency of 6.3%, while a 7-pair module (n-type Pb0.9972Se-0.008Cd-0.0008In crystal and p-type commercial Bi0.4Sb1.6Te3 material) demonstrated a maximum cooling temperature difference (ΔT) of 51.2 K (Th = 353 K). This work establishes PbSe as a cost-effective, high-performance thermoelectric material for thermoelectric cooling and power generation.
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