Robust (Bi,Sb)2Te3 Thermoelectrics Due to Engineered Ion Confinement and Microstructure for Advancing Thermoelectric Power Generators

材料科学 热电材料 热电效应 塞贝克系数 微观结构 工程物理 离子 热电发电机 凝聚态物理 纳米技术 光电子学 冶金 热力学 热导率 复合材料 物理 量子力学
作者
Ruyuan Li,Gang Wu,Qiang Zhang,Qiaoyan Pan,Min Wang,Kaikai Pang,Liya Miao,Xiaojian Tan,Peng Sun,Haoyang Hu,Jiehua Wu,Guoqiang Liu,Jun Jiang
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:35 (36) 被引量:3
标识
DOI:10.1002/adfm.202502535
摘要

Abstract Bi 2 Te 3 ‐based alloys remain the only commercially available thermoelectrics to date. However, the extensive intrinsic defects and the “donor‐like” effect intensified by powder metallurgy significantly deteriorate the transport properties of (Bi,Sb) 2 Te 3 . Here, Cu is consistently used as the most effective dopant for performance enhancement, while substituting Te with the more electronegative S strengthens the electrostatic attraction, thereby markedly increasing the energy barrier for Cu ion migration. The optimized carrier transport, combined with microstructural evolution characterized by high‐density twins and dislocations, results in a 10% increase in room‐temperature weighted mobility and a concurrent reduction in lattice thermal conductivity by 37%. Consequently, the Bi 0.492 Cu 0.008 Sb 1.5 Te 2.95 S 0.05 sample achieves a peak ZT of 1.51 at 350 K, with ion confinement ensuring negligible performance degradation after annealing at 550 K for 20 days. The compressive strength and bending strength are also improved to 232 and 60 MPa, respectively. Furthermore, the fabricated full‐scale power generator demonstrates a maximum conversion efficiency of ≈7.0% under a Δ T of 200 K, certified by third‐party validation, and exhibits excellent operational stability, underscoring its immense potential for widespread deployment.
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