Realizing High Thermoelectric Properties in Bi2S3 Bulk via Band Engineering and Nanorods Compositing

材料科学 热电效应 合成 纳米棒 工程物理 纳米技术 光电子学 计算机科学 热力学 图像(数学) 物理 人工智能
作者
Ziyuan Wang,Guo Jun,Yu Wang,Yi‐Xing Zhang,Jing Feng,Zhen‐Hua Ge
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:20 (23) 被引量:9
标识
DOI:10.1002/smll.202310306
摘要

Abstract Bismuth sulfide is a promising thermoelectric material because of its low cost and toxicity; however, its low electrical conductivity limits its thermoelectric properties. In this study, Bi 2 S 3 + x wt% HfCl 4 ( x = 0, 0.25, 0.5, 0.75, and 1.0) bulk samples are fabricated using a combination of melting and spark plasma sintering. The microstructures, electronic structures, and thermoelectric properties of the composites are characterized. The results of electronic structure calculations show that doping with HfCl 4 produces an impurity energy level that narrows the bandgap and allows the Fermi energy level to enter the conduction band, leading to a favorable increase in carrier concentration. By regulating the HfCl 4 doping concentration, the electrical conductivity of the 0.75 wt% doped sample reaches 253 Scm −1 at 423 K and its maximum ZT value is 0.47 at 673 K. Moreover, the sample is compounded with Bi 2 S 3 nanorods prepared by the hydrothermal method, reducing thermal conductivity by 30% due to the introduction of additional interfaces and pores. This resulted in a final ZT value of 0.61 at 673 K, which is approximately eight times higher than that of pure Bi 2 S 3 . This step‐by‐step optimization approach provides a valuable methodology for enhancing the performance of other thermoelectric material systems.
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