Desempenho termoelétrico aprimorado em Cu

Aug 02, 2023

Scientific Reports volume 5, Número do artigo: 14319 (2015) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

A mobilidade do transportador de baixo peso tem sido considerada o principal desafio para a melhoria do desempenho termoelétrico (TE) em BiTeI. A densidade de estados bidimensionais induzida pelo efeito Rashba neste semicondutor em massa é benéfica para o aprimoramento de termopotência, o que o torna um composto potencial para aplicações de TE. Neste relatório, mostramos que a intercalação de dopantes menores de Cu pode alterar substancialmente o equilíbrio das reações de defeito, mediar seletivamente a compensação doador-aceitador e ajustar a concentração de defeito na rede condutora de portadores. Consequentemente, as flutuações potenciais responsáveis ​​pela dispersão de elétrons são reduzidas e a mobilidade do portador em BiTeI pode ser aumentada por um fator de dois a três entre 10 K e 300 K. A concentração do portador também pode ser otimizada ajustando a razão de composição Te/I, levando a maior termopotência neste sistema Rashba. A intercalação de Cu em BiTeI dá origem a um fator de potência mais alto, condutividade térmica de rede ligeiramente mais baixa e, consequentemente, figura de mérito melhorada. Comparado com BiTe0.98I1.02 puro, o desempenho TE em Cu0.05BiTeI revela um aumento de 150% e 20% a 300 e 520 K, respectivamente. Esses resultados demonstram que o equilíbrio de defeitos mediado por dopagem seletiva em TE complexo e materiais energéticos pode ser uma abordagem eficaz para a mobilidade de portadores e otimização de desempenho.

A mobilidade do portador em materiais desempenha um papel importante no armazenamento e conversão de energia, como simbolizado em baterias, fotovoltaicas e termoelétricas1,2,3,4. Nos cátodos da bateria de íons de lítio, a mobilidade do elétron precisa ser alta o suficiente para corresponder à velocidade de difusão dos íons de lítio1. Quanto às células solares de película fina, a mobilidade eletrônica suficiente é favorecida para o óxido condutivo transparente, enquanto a camada fotovoltaica ativa deve possuir alta mobilidade de portadores × produtos de tempo de vida para elétrons e lacunas2,5. Enquanto isso, o desempenho elétrico dos materiais termoelétricos (TE) depende fundamentalmente da mobilidade do portador μH e, mais especificamente, da mobilidade ponderada μH (m*/me)3/2, onde m* e me são a massa efetiva do portador e a massa do elétron livre , respectivamente6,7. Melhorar a mobilidade do transportador é desafiador, mas significativo para todos os materiais de energia de alto desempenho. Em princípio, os portadores não podem "ver" os íons organizados periodicamente em cristais perfeitos, pois nenhuma colisão ocorre para os portadores no potencial periódico. No entanto, perturbações de imperfeições da rede, impurezas e vibrações térmicas dos íons podem dispersar os portadores e deteriorar a mobilidade de transporte de portadores em materiais8.

A tecnologia TE é um candidato em potencial que pode facilitar a conversão direta de energia térmica em elétrica9. Os materiais TE, combinações de condutores elétricos finos e condutores térmicos ruins, são as chaves para melhorar a eficiência desta tecnologia verde. O desempenho de um material TE é determinado por sua figura de mérito adimensional , onde S é a termopotência, T a temperatura absoluta, ρ a resistividade elétrica, κ a condutividade térmica, n a concentração de portadores ee a carga do elétron10,11. Estratégias de dopagem e abordagens relacionadas a defeitos têm sido usadas com sucesso para otimizar as propriedades TE em várias classes de sistemas de materiais TE de alta eficiência, como CoSb312,13,14, Mg2(Si, Sn)15, Bi2Te316 e Pb(Se, Te)17, 18. Semicondutores de gap estreito com baixa iconicidade geralmente devem ter alta mobilidade de portadores19. No entanto, métodos para otimizar o desempenho do TE, como dopagem para ajustar a concentração do transportador e liga para projetar a estrutura da banda ou reduzir a condutividade térmica da rede, inevitavelmente introduziriam distúrbios e aleatoriedade nos materiais. valores inesperadamente baixos6.