All-Inorganic Halide Perovskites as Potential Thermoelectric Materials: Dynamic Cation off-Centering Induces Ultralow Thermal Conductivity

声子 化学 热电效应 热导率 凝聚态物理 热电材料 声子散射 散射 塞贝克系数 钙钛矿(结构) 德拜模型 热传导 结晶学 热力学 光学 物理
作者
Hongyao Xie,Shiqiang Hao,Jin‐Ke Bao,Tyler J. Slade,G. Jeffrey Snyder,Christopher Wolverton,Mercouri G. Kanatzidis
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:142 (20): 9553-9563 被引量:277
标识
DOI:10.1021/jacs.0c03427
摘要

Halide perovskites are anticipated to impact next generation high performance solar cells because of their extraordinary charge transport and optoelectronic properties. However, their thermal transport behavior has received limited attention. In this work, we studied the thermal transport and thermoelectric properties of the CsSnBr3-xIx perovskites. We find a strong correlation between lattice dynamics and an ultralow thermal conductivity for series CsSnBr3-xIx reaching 0.32 Wm-1K-1 at 550 K. The CsSnBr3-xIx also possess a decent Seebeck coefficient and controllable electrical transport properties. The crystallography data and theoretical calculations suggest the Cs atom deviates from its ideal cuboctahedral geometry imposed by the perovskite cage and behaves as a heavy atom rattling oscillator. This off-center tendency of Cs, together with the distortion of SnX6 (X = Br or I) octahedra, produces a highly dynamic and disordered structure in CsSnBr3-xIx, which gives rise to a very low Debye temperature and phonon velocity. Moreover, the low temperature heat capacity data suggests strong coupling between the low frequency optical phonons and heat carrying acoustical phonons. This induces strong phonon resonance scattering that induces the ultralow lattice thermal conductivity of CsSnBr3-xIx.
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