地球に豊富な元素を持つ熱電学: SrSとCaSでナノ構造化された高性能p型PbS
Li-Dong Zhao1, Jiaqing He, Chun-I Wu
1Department of Chemistry, Northwestern University, Evanston, Illinois 60208, USA.
Journal of the American Chemical Society
|April 17, 2012
まとめ
私たちは,豊富な元素を使用した高性能ナノ構造鉛硫化物 (PbS) 熱電器を開発しました. ナトリウムドーピングはパワーファクターを高め,ストロンチウム硫化物 (SrS) または硫化カルシウム (CaS) の添加は熱伝導性を低下させ,高いZT値を達成しました.
科学分野:
- マテリアルサイエンス 材料科学
- 固体物理 固体物理学
- 熱電学は熱電学である.
背景:
- 熱電気材料は熱を電気に変換し,持続可能なエネルギーソリューションを提供しています.
- 鉛硫化物 (PbS) は地球に豊富に存在する物質で,熱電応用の可能性があります.
- 熱電性能の向上には,電気および熱輸送特性の最適化が必要です.
研究 の 目的:
- ナノ構造のp型PbSの熱電性能を高めるために.
- 電気特性に対するナトリウム (Na) ドーピングの影響を調査する.
- ストロンチウム硫化物 (SrS) または硫化カルシウム (CaS) を添加することで格子熱伝導性を低下させる.
主な方法:
- Naドーピングによるナノ構造のp型PbSの合成.
- SrSまたはCaSを添加して,ナノ構造/固体溶液材料を形成する.
- 伝送電子顕微鏡 (TEM) を使用した特徴付け.
- 熱電特性 (パワーファクター,ホール係数,熱伝導性) の測定.
- 修正されたキャラウェイモデルを用いた理論的計算.
主要な成果:
- Naドーピングにより,n型PbSをp型に切り替えて,最大功率因数である9.0μWcm(-1) K(-2) を>723Kで達成した.
- 重量ドーピングされたp型PbSでは重量ホールバンドは観察されず,単一バンドモデルを示しています.
- SrSまたはCaSの添加により,723 Kで格子熱伝導性が約50%低下しました.
- 923Kで1.22 (SrS) と1.12 (CaS) の高いZT値を達成しました.
- 試料は,冷却後に優れた熱安定性を示した.
結論:
- ナノ構造のp型PbSはNaドーピングとSrS/CaS添加により高熱電気性能を示しています.
- ナノ構造と点欠陥の両方が,ホーノンを効果的に分散させ,熱伝導性を減少させます.
- この材料は,既存の高性能熱電気材料に対して,頑丈で低コストの代替品です.
