3月15日，2024欧洲杯官网材料科学与工程学院葛振华教授与北京航空航天大学赵立东教授，郑州大学王东阳研究员等合作，在热电半导体制冷材料及器件研究上取得的最新进展，研究成果以《Grid-plainification enables medium-temperature PbSe thermoelectrics to cool better than Bi2Te3》为题，发表在国际顶级刊物Science，葛振华教授团队在研究中，完成了PbSe热电器件的制作及器件转化效率表征工作，该器件的热电转化效率>11%。

该工作提出了一种“grid-plainification（栅格素化）”概念，通过使用物理气相沉积（PVD）生长晶体的方法，以及填补硒化铅（PbSe）晶格中的Pb空位，大幅削弱了晶格缺陷对载流子的散射，实现了载流子迁移率的显著提升。制备的热电器件在室温下实现了73.3K的最大制冷温差，并在420 K温差下实现了11.2%的发电效率。

热电制冷技术是一种利用帕尔帖效应直接将电能转换为热能的绿色制冷技术，仅通过调节工作电压和电流就可以实现对制冷量和温度的连续高精度控制。热电制冷技术由于其控温精准、尺寸灵活、结构多样和局部冷却等众多优势，在精确制导、传感器和5G光模块等关键领域具有比其它制冷技术更强的竞争优势。因此，研发高效的制冷材料及器件，对于诸多科技自立自强等关键领域的精确温控具有重要意义。

目前，以碲化铋（Bi2Te3）为基体的材料体系仍为唯一可应用的热电制冷材料，然而Te元素的地壳稀缺程度等同于铂元素，因此探索和开发新型热电制冷材料及器件至关重要。本工作主要的研究基于提出的“栅格化”策略和“晶格素化”概念，通过调控N型PbSe晶体中的本征缺陷，改善了载流子迁移率，实现了高效率电子制冷。通过物理气相沉积（PVD）生长晶体的方法来制备出高质量的PbSe晶体，以及在PbSe晶体中额外引入微量的Pb，观察到了PbSe晶格中的本征Pb空位被填补，其对应的点缺陷散射被削弱，从而有利于载流子迁移率的显著增加（图1）。在室温下实现了~52 μW cm-1 K-2的超高电传输性能，以及室温ZT值~ 0.9和平均ZT值~ 1.4（300-673K），研究表明N型PbSe晶体在“发电”和“制冷”两个关键领域均有巨大潜力。

图1. 通过Pb空位自补偿（栅格素化）策略实现了载流子迁移率的大幅提升

基于获得的高性能N型PbSe晶体在发电与制冷都表现出优异的性能。如图2A所示，在420K温差下能够实现 ~ 11.2%的发电效率；如图2B所示，与高性能p型SnSe晶体搭配制备的Se基热电制冷器件在热端温度（Th）为室温下能够实现 ~ 73.3 K的制冷温差，其制冷性能优于Bi2Te3基等材料的制冷器件。该工作搭建了第一个无Te的Se基热电制冷器件，对于在未来取代Bi2Te3具有重要的指导意义，为Se基热电材料的产业化和器件化奠定了基础。

图2. (A) 发电效率对比图；(B) Se基和Bi2Te3基等材料器件的制冷温差对比

赵立东教授曾多次访问我校，做精彩报告，并且与葛振华教授开展了持续的合作研究，相关成果除了两次发表在Science以外，还发表在Joule, Nature Comm（2篇）, Adv. Energy Mater.（2篇）, JACS（3篇）, Acta Mater.等著名期刊。赵立东教授在Se基热电制冷材料和器件方面的成果有望借助资源和政策优势落地云南，为云南经济发展作出贡献。

论文链接地址：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adk9589

(供稿：材料学院）