High Dimensionless Figure of Merit and Efficiency Thermoelectrics for Operation below Sub-250 °C─Origin of Colossal Seebeck Coefficient with Phonon Assisting, Coexistence with Electrical Conductivity, and Device Application for Their Multilayered Structure

塞贝克系数 材料科学 功勋 凝聚态物理 热电材料 无量纲量 声子 电阻率和电导率 热电效应 斯库特绿铁矿 工程物理 光电子学 热导率 热力学 物理 复合材料 量子力学
作者
Hirofumi Kakemoto
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
被引量:1
标识
DOI:10.1021/acsami.4c19044
摘要

Thermoelectric (TE) devices recycle high-temperature waste-heat efficiently, but waste-heat below sub-250 °C remains uncaptured. As promoting full autonomy for the Internet of Things (IoT), we present a TE generator using multilayered pseudo-p-type GaN/TiN/GaN and n-type TiO2/TiN/TiO2 TE one-leg devices, where heterozygous of outer/inner layers demonstrates the functions of a colossal Seebeck coefficient (S = +15,000 μV K-1) with phonon-assist hopping, controlling by the porosity for reducing thermal conductivity (κ), a high electric conductivity (σ) with reducing κ by outer layers, and σ-S coexistence over singular curve by the asymmetric electrode configuration. S is elucidated hopping among inner grains and the space charge (SC) grain boundary (GB) of 100 μm regions within Debye length. By assisting phonon, SC capturing, hopping-up (recoiling, pseudo-p-type) or -down (n-type) over potential barriers at GBs are investigated. The devices showed high ZT (∼2.2), low κ (15.2 W m-1 K-1), and outputs at sub-250 °C, which is promising for waste heat recycling (predicted efficiency: 12.5%).
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