¹南昌工程学院，江西 南昌

²江西省精密驱动与控制重点实验室，江西 南昌

³湖南师范大学，湖南 长沙

收稿日期：2021年6月22日；录用日期：2021年7月21日；发布日期：2021年7月28日

摘要

Bi₂Te₃系热电材料是室温下应用广泛的热电材料，热电材料能够实现热能和电能之间直接转换，在废热(余热)发电、太阳能热源发电、极端环境下的能源供给等方面有潜在的应用前景。本文从不同优化方法出发，分析了Bi₂Te₃系热电材料的制备方法及各自优化的优缺点，并根据所采用优化方法的不同，对Bi₂Te₃热电性能进行了探讨，分析了塞贝克系数S、电导率σ和热导率k关联耦合机制，并对热电材料的发展前景进行了展望。

关键词

Bi₂Te₃，热电材料，优化，发展前景

Research on Properties Optimization of Bi₂Te₃ Thermoelectric Materials

Hebo Huan^1,2, Xuefeng Yu¹, Wenhua Zhang^1,2, Zhi Shen^1,2, Peilan Luo^1,2,3, Guodong Xu^1,2, Kai Fu^1,2, Xuelong He^1,2, Yao Hua^1,2, Junhong Zhang¹, Jing Zhou¹, Zhe Chen^1,2*

¹Nanchang Institute of Technology, Nanchang Jiangxi

²Jiangxi Province Key Laboratory of Precision Drive and Control, Nanchang Jiangxi

³Hunan Normal University, Changsha Hunan

Received: Jun. 22^nd, 2021; accepted: Jul. 21^st, 2021; published: Jul. 28^th, 2021

ABSTRACT

Bi₂Te₃ thermoelectric materials are widely used at room temperature. Thermoelectric materials can realize direct conversion between heat and electric energy, and have potential application prospects in waste heat generation, solar heat source generation, energy supply under extreme environment and so on. Based on different optimization methods, this paper analyzes the preparation methods and the thermoelectric properties of Bi₂Te₃ thermoelectric materials and the advantages and disadvantages of their optimization. The coupling mechanism of Seebeck coefficient S, conductivity σ and thermal conductivity K is analyzed, and the development prospect of thermoelectric materials is prospected.

Keywords:Bi₂Te₃, Thermoelectric Material, Optimization, Prospects

Copyright © 2021 by author(s) and Hans Publishers Inc.

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1. 引言

随着社会的快速发展，地球资源的大量消耗和能源危机逐渐显现，开发新能源材料显得尤为重要。热电材料是一种能够实现热能和电能之间直接转换的特殊功能材料，可用于温差发电、汽车尾气和工业余热的回收利用以及温控、制冷等诸多领域。

由于采用热电材料的发电系统和温控、制冷系统具有体积小、重量轻，无任何机械转动部分，工作中无噪音，不造成环境污染，使用寿命长，易于控制等优点，被认为是未来非常有竞争力的能源替代材料，在绿色环保能源工程和制冷技术工程方面有广阔的应用前景。

性能优异的热电材料是高效率热电转换器件应用及商业化的前提和基础，因此，世界各国科学工作者正对性能独特的热电材料展开广泛而深入的研究 [1] [2] [3]。

研究发现，理想的热电材料(TE)应具有较大的塞贝克系数S、高的电导率σ和低的热导率k，但这些特性是往往是彼此关联、相互耦合的，因此要获得较高的热电优值ZT ( $\text{ZT}=S^2\sigma T/k$ )需要从多方面进行综合考虑，合理优化 [4] [5]。热电材料能源转换是基于19世纪初发现的半导体材料的Seebeck效应和Peltier效应，热电材料可以通过内部载流子的运动来实现电能与热能之间的直接转换，使热电材料实现包括温差发电和热电制冷两方面的商业应用，其工作原理如图1所示 [6]。温差发电过程为：在热电器件的两端施加温差，冷端会产生从P型电偶到N型电偶的电动势，回路中会产生电流，实现温差发电。热电制冷原理为：在热电器件的热端施加电流，电流从N型电偶的热端传到N型电偶的冷端，再从P型电偶的冷端传到P型电偶的热端。在热电器件的热端，电流从P型电偶传到N型电偶，为放热效应，而在冷端则是相反为吸热效应。

目前Bi₂Te₃是室温下最佳的热电材料之一。P型Bi₂Te₃已经取得较大进展，温度420 K时其ZT值能够达到1.96，在320~500 K范围内也能达到1.77的平均值 [7] [8]，N型Bi₂Te₃的ZT值也可以达到1.2左右 [9] [10]。本文从热电材料(TE)的综合特性出发，分析了热电性能的优化方法及原理，探讨了热电材料塞贝克系数S、导电性σ和导热性k三者之间的耦合关系。

2. 电导率的提升方法

电导率与载流子浓度n和载流子迁移率μ成正比：σ = neμ，通过提高载流子浓度和改善载流子迁移率可以获得高的电导率。优质的TE材料载流子浓度在10¹⁹~10²¹ cm⁻³之间，可以通过元素掺杂、晶界散射和内部缺陷的调节来获得 [11]。

图1. 热电器件结构原理图

2.1. 元素掺杂

为了提高Bi₂Te₃热电性能，改善材料电导率，元素掺杂经常被有效地应用。用RE(稀土元素)原子代替Bi元素可以有效增加载流子浓度 [12] [13]。研究也表明将元素掺杂与纳米技术相结合是提高Bi₂Te₃基合金热电材料(TE)性能的有效途径。Fang Wu [14] 等采用水热法制备了稀土元素Ce，Y，Sm掺杂的N型R_0.2Bi_1.8Se_0.3Te_2.7 (R = Ce, Y, Sm)纳米粉体，在413 K时ZT值达到1.21。如图2所示 [14]，该体系热电材料通过稀土元素掺杂与纳米结构有效降低了电阻率，提升了电导能力，Ce，Y和Sm部分替代Bi改变了化学键的强度，同时稀土元素掺杂也有效地提高了制备样品的电子浓度。

图2. R_0.2Bi_1.8Se_0.3Te_2.7 (R= Ce, Y, Sm)样品的电阻率随温度的变化关系

研究表明花状Bi₂Te₃纳米粉体制成的块体热电材料试样比其他形貌粉体材料试样有更高的ZT值 [15]。Wu F [16] 等引入I作为电子给体，取代了稀土元素受体的作用，通过水热法制备了N型Bi₂Te_2.9I_0.1纳米粉体，样品在448 K是ZT值达到1.1。如图3所示 [16]，I的掺杂有效地降低了样品的电阻率，提升了材料的导电能力。

图3. Bi₂Te_3−xI_x样品的电阻率随温度的变化关系

2.2. 缺陷作用

点缺陷包括空位、间隙原子、反位缺陷、替位缺陷，和由它们构成的复合体。缺陷作用为优化载体浓度提供了另一思路的调节方法。材料自身产生的大量内部空位和反位点缺陷直接影响了导电类型和载流子浓度。Shi X [17] 等采用水热法制备了N型Se、Lu共掺杂的Lu_0.1Bi_1.9Te_2.7Se_0.3纳米粉体，在420 K时ZT值最大达到0.85，为低成本、简单高效制备优良热电材料提供了有益途径。Se作为掺杂元素，不仅可以调节载流子浓度，还可以引入点缺陷和不同原子之间的质量波动，从而有效地增强了声子散射，降低了晶格热导系数 [18]。随着Se浓度提高，反位点缺陷作用明显，再加上掺杂Se的粉体比未掺杂的热导系数低51.6%，最终得到的ZT值比未掺杂的粉体增加了47.5%。

Jung S J [19] 等采用冷变形和热压相结合的方法制备了高性能的N型Bi₂Te₃基热电合金。如图4(a)~(f)所示 [19]，随着机械变形次数的增加，电子密度在1.5 × 10¹⁹ cm⁻³到5.6 × 10¹⁹ cm⁻³之间几乎呈线性增长，

图4. 各种热电特性变化与变形循环次数的关系

电阻率从1.36 mΩcm下降到0.43 mΩcm，塞贝克系数绝对值从240 μV-K⁻¹下降到137 μV-K⁻¹，热导率从1.34 Wm⁻¹K⁻¹增加到2.10 Wm⁻¹K⁻¹，功率因子由电导率和塞贝克计算得出，在10次变形时达到最大5.1 × 10⁻³ Wm⁻¹K⁻²，在5次变形时无量纲优值ZT达到最大值0.98。冷变形可以通过形成内在点缺陷来控制电子密度在10¹⁹~10²¹ cm⁻³范围内，通过此方法耦合带隙、载流子密度和成分之间的关系，可以改善热电性能，且变形形成的缺陷结构在热应力作用下仍然稳定，优良的热电性能可长久保持。

2.3. 晶界散射

在纳米材料中，当晶粒尺寸与电子平均自由程相当时，晶界散射对载流子迁移率的影响较大 [20]。由于多晶样品中晶粒取向是随机的，与单晶样品相比，载流子迁移率的各向异性普遍减弱。为了恢复载流子迁移率，人工排列晶粒已被广泛应用于多晶样品的织构工程。最简单的方法是在单轴压缩下对晶粒进行织构排列，如热压(HP)或放电等离子烧结(SPS)等。Liu Y [21] 等在溶液中制备了具有盘状非对称形状的n型Bi₂Te_2.7Se_0.3胶体纳米晶粒(NCs)，在438K时的热电优值ZT达到1.31，在320~500 K范围内ZT平均值达到1.15。其晶体织构是通过适当过量Te并热压NCs来实现的。在热压过程中，Te既作为润滑剂促进靠近压力轴方向旋转，又作为固体溶剂溶解NCs，使其近似与压制方向对齐，使NC以优先取向再结晶，制备的纳米结构Bi₂Te_2.7Se_0.3试样表现出非常高的导电性。与商用热电材料相比，由于使用了过量的Te导致载流子浓度变高，获得了高的导电性。并且由于双极效应的作用 [22]，进一步拓展了高ZT值的温度使用范围。

Tang Z [23] 等采用重复热变形的方法制备了SbI₃-Bi₂Te_1.9Se_1.1合金，在600 K时ZT的峰值达到1.1。当Bi₂Te₃应用于中温发电时，本征激发对ZT值有较大影响，可以通过Se的掺杂来扩大带隙，同时利用SbI₃的掺杂来作为供体掺杂剂增加多数载流子，提高热电性能。如图5所示 [23]，最终通过Se合金化、优化掺杂和重复热形变等手段，将ZT值从最初的0.45提升到1.1，且适用温度也从480 K提高到了590 K。

图5. 不同制备方法得到Bi₂Te_3-xSe_x试样的热电性能

3. 功率因子的提升方法

3.1. 能带简并

TE材料的性能取决于其ZT值 $\left(\text{ZT}=S^2\sigma T/\kappa =S^2\sigma T/\left(k_e+k_L\right)\right)$，其中塞贝克系数S又通过以下关系

与载流子浓度n、载流子有效质量m^*、玻尔兹曼常数k_B直接相关： $S=\frac{8{\pi }^2{k}_B^2}{3e{h}^3}{m}^{*}T{\left(\frac{\pi }{3n}\right)}^{2/3}$。

对于给定的n，提高m^*会使得S增大，但同时会减小迁移率。其原理是使能带有效质量 $m_b^{\ast }$ 增加： $m_d^{\ast }=N_v^{2/3}{m}_b^{\ast }$。能带简并是增强 $m_b^{\ast }$ 常用的方法，一般是通过掺杂或者合金化来实现。

Hwang J Y [24] 等采用传统的熔铸凝固和等离子烧结相结合的方法制备了掺hf的Cu_0.01Bi_1.925Hf_0.075Te_2.7Se_0.3多晶材料，在320 K时的ZT峰值为0.83，比未掺杂hf的初始材料提升了12%。如图6所示 [24]，Hf掺杂后通过能带收敛、能带简并和形成共振态对导带的电子结构进行改进，300 K时 $m_d^{\ast }$ 的值由原来的0.92 m₀增加到1.24 m₀，并且并没有因为载流子的增加导致迁移率减小。

图6. Cu_0.01Bi_2-xHf_xTe_2.7Se_0.3 (x = 0, 0.05, 0.075, 0.1, 0.125)的|S|值与载流子浓度的关系

3.2. 能带收敛

能带收敛是优化功率因子的理想方法，其原理是增加N_v： $m_d^{\ast }=N_v^{2/3}{m}_b^{\ast }$。N_v变大而 $m_b^{\ast }$ 保持不变，这导致了更高的S和σ，但与能带平坦化增加 $m_b^{\ast }$ 不同，N_v的增加并不会使σ减小。Cha J [25] 等用真空熔炼法将Bi₂Te₃与过量的Cu和Te反应，再用放电等离子烧结制备得Cu_xBi₂Te_3.17球团。如图7(a)所示 [25]，Cu_xBi₂Te_3.17样品的电导率随温度的变化随Cu掺杂摩尔分数的增加而显著增加，室温下Cu_0.06Bi₂Te_3.17的σ值从665 S cm⁻¹上升到900 S cm⁻¹，表明Cu是电子供体。图7(b)表明当x = 0.06时，试样的S比其他试样有所增加，这是因为随着能带简并度N_v增加，平衡了σ与S之间的耦合关系。

图7. (a) Cu_xBi₂Te_3.17样品的电导率和(b) 功率因子随温度的变化关系

3.3. 能量过滤

在TE固体中引入的纳米结构或异质结可以作为电子能量过滤器，如果添加的结构中的能带与宿主TE固体的能带一致，可在较低能量下切断载流子的传输。由于低能量载流子被势垒选择性地过滤掉，在费米能级附近可以获得一个大的能量不对称的微分电导率，从而提高塞贝克系数。Cho H [26] 等通过高温煅烧、机械球磨以及热压手段制备了一系列(CuI)_0.003Bi₂Te_2.7Se_0.3/Mo (Mo: 0.0, 0.9, 1.3, 1.8, 3.1和4.3 vol. %)复合材料，Mo (4.36~4.95 eV)的功函数与n型Bi₂Te₃基材料(5.1-5.4 eV)的功函数显著不同，形成了界面势垒，这对低能量载流子滤波至关重要。如图8(a)所示 [26]，与原始样品相比Mo弥散的样品ZT值在室温附近显著提高，在Mo掺杂量为0.9 vol%样品中，由于塞贝克系数和功率因子的提高，ZT值在373 K时达到了最高的1.02。通过x射线衍射和能量色散x射线能谱测量，发现Mo粉末在基体的边界处有很好的分散，如图8(b)所示分散在主基体中的Mo颗粒对界面处的低载流子滤波效应的散射，从而提高了热电性能。高能载流子不受界面势的影响，而低能载流子则在界面处散射。

图8. (a) (CuI)_0.003Bi₂Te_2.7Se_0.3/Mo 纳米复合材料的ZT值随温度的变化以及(b)掺Mo复合材料低能量载流子过滤效应

4. 晶格热导率的降低方法

对于固态材料，κ主要由电子热导率κ_e、热导率κ_L和双极热导率κ_b三部分组成。利用维德曼–弗朗

茨洛伦兹定律 ${\kappa }_e=L\sigma T$，由此可以将ZT方程写为 $\text{ZT}=\frac{{\alpha }^2}{L}\left[\frac{1}{1+\frac{{\kappa }_L+{\kappa }_b}{{\kappa }_e}}\right]$，为了得到高的热电性能，需要

提高电子热导率κ_e，降低晶格热导率κ_L和双极电导率κ_b (通常，如果热电材料没有显示出明显的温度依赖性S拐点，则κ_b对热电性能的影响有限，常常忽略不计)。高电子热导率较易获得，因此可以通过引入多尺度散射中心来增强不同频率的声子散射，如利用点缺陷、纳米尺度颗粒弥散或微结构及塑性位错等方法有效降低κ_L。

4.1. 点缺陷

点缺陷是指在一个原子间距离或最多一个单元格的长度范围内晶格扰乱的缺陷，例如合金与固溶体中的化学元素取代。空位和间隙也是点缺陷，正如自然存在的晶格原子的同位素一样，它们具有不同的质量。因为这些缺陷的尺度与声子的波长相当，涉及两个相邻原子间的位移，极大地增强了高频率的声子散射。Pan Y [27] 等通过改变Bi₂Te_3-xSe_x中的Se含量x，从0到1.0来调节点缺陷的浓度，并通过霍尔实验研究了点缺陷及其相互作用对电输运性能的影响。测试结果如图9所示 [27]，ZT值随着Se含量的增加，在x = 0.8时、473 K处ZT值最大为0.82。增加硒含量可以通过抑制供体类缺陷而显著降低载流子浓度。载流子迁移率随载流子浓度的降低而减小，但由于合金散射增强和声子散射减弱的综合作用，ZT值总体上是增加的。最终通过点缺陷与Se共同作用，降低了晶格的导热系数，同时将载流子保持在最佳浓度范围内。

图9. Bi₂Te_3-xSe_x的ZT值与温度的变化关系

4.2. 纳米结构工程

纳米结构工程在TE研究中最成功的方面在于增加晶界或形成纳米级析出物，这样可以有效地分散低频和中频声子，从而导致κ_L的降低。Wang Y [28] 等采用溶剂热法合成Bi₂Te₃纳米片，通过烧结制备n型多孔纳米Bi₂Te₃球团。在放电等离子烧结过程中充分升华Bi₂TeO₅，成功地将均匀分布的孔洞和稠密晶界引入到Bi₂Te₃基体中，产生了强烈的声子散射。结果表明，制备的多孔纳米Bi₂Te₃颗粒具有小于0.1 Wm⁻¹K⁻¹的超低晶格导热系数，并且保持有良好的电性能，在420K时的功率因子为10.57 µW cm⁻¹K⁻²，ZT值达到0.97，为目前纯n型Bi₂Te₃热电材料的较高ZT值。

Hong M [29] 等采用无表面活性剂的微波辅助溶剂热法合成了高质量的Bi₂Te_3-xSe_x三元纳米片。在480K时，所得的n型Bi₂Te_2.7Se_0.3纳米结构的ZT为1.23，材料具有非常低的κ_L并且S²σ的峰值向高温位移。与传统的球磨和熔体纺丝相比，溶剂热合成可以更好地控制纳米颗粒的尺寸、结构和形貌。同时无表面活性剂省去了去除表面活性剂这一步骤，提升了最终的热电性能也减少了制备时间，提升了生产效率。如图10所示 [29]，κ随Se的含量先降低后升高，在Se的含量0.3时，试样Bi₂Te_2.7Se_0.3达到0.69 Wm⁻¹K⁻¹的最低热导值。根据公式 ${\kappa }_L=\kappa -{\kappa }_e$，得到κ_L的与温度的关系，可以看到κ_L的明显减少。

4.3. 高密度位错

在制备TE材料的过程中，通过对试样进行塑性变形而形成位错，可以抑制中频声子的传播，是一种有效而实用的降低κ_L的方法。Wu Y [30] 等通过液相热变形技术(LPHD)来提高n型Bi₂Te₃合金的TE性能。在Bi₂Te₃熔锭材料中引入了富Te的片状共晶相。然后在石墨模具中，在超过共晶温度下，对钢锭进行热变形。通过此种热变形方式，Bi₂Te₃固相首先被液相共晶相包围，然后进行挤压逐渐变形。由于变形产生的高密度位错增强声子散射和晶格畸变，使得LPHD样品的晶格导热系数显著降低。最后，在400 K时，n型液相热变形Bi₂Te₃合金的ZT值达到1.1。表明了该方法为合成高性能n型Bi₂Te₃材料提供了一种简单、高效的途径，说明液相共晶相在调节材料微观结构方面有明显效果。

图10. 烧结的Bi₂Te_3-xSe_x纳米试样κ随温度的变化及κ-κ_e随温度的变化

总热导系数κ如图11(a)所示 [30]。样品的电子热导率κ_e根据κ_e = LσT计算，其中L为洛伦兹数，由于LPHD-xTe中σ的增强，κ_e大致随x的增加而增加。图11(b)为通过κ-κ_e计算得到的晶格热导率κ_L随温度变化关系。在室温条件下，LPHD样品的κ_L明显下降。在x = 24时，SbI₃掺杂样品的室温最低κ_L为0.43 W m⁻¹K⁻¹，降低了近50%。

图11. (a) 总热导和(b) 晶格热导随温度变化的关系

5. 耦合方案

5.1. n与S²σ的耦合

随着载流子浓度n的增加，费米能级在能带内移动得更深，微分电导率相对于费米能级变得更对称，S降低。塞贝克系数与载流子浓度之间的关系可以很好地反映在Pisarenko曲线上 [31]。结果如图12(a)所示 [31]，在固定的m^*条件下，S²σ和ZT有一个最佳载流子浓度(n_opt)，大多数好的TE材料的n_opt在10¹⁹~10²¹ cm⁻³之间，这可以通过外部掺杂或调节内部缺陷来控制。

图12. (a) ZT、功率因子、S和σ与载流子浓度的关系；(b) 通过温度掺杂和能带工程稳定最佳载流子浓度；(c) 降低κ_L水平可降低n_opt

Yaprintsev M [32] 等采用微波溶剂热法和放电等离子烧结法制备了n型热电材料Bi₂Te₃、Bi_1.9Lu_0.1Te₃和Bi_1.9Tm_0.1Te₃，通过外部掺杂在增加载流子浓度n的同时增大了塞贝克系数。在290~630 K温度范围内，塞贝克系数增大，比电阻率和总导热系数减小。Tm和Lu原子在Bi₂Te₃晶格中是给体中心，所以电阻率的增加与电子浓度的增加有关。如表1所示，Lu和Tm的掺杂导致了n的增加，塞贝克系数的增大是由导带态密度有效质量的增大引起的，总热导率下降是由于反位缺陷和Lu或Tm原子取代Bi位等点缺陷所致，ZT值从未掺杂Bi₂Te₃的0.4提高到0.9。

表1. Bi₂Te₃载流子的浓度和态密度有效质量

5.2. μ与κ_L的耦合

对于大多数晶体材料来说，声子散射和电子输运共用在同一晶格中进行，通过诱导散射中心，如点缺陷、位错和边界等可以有效地散射声子，但却会导致载流子迁移率下降。一般用μ/κ_L的比值来判断某一策略对ZT是否有利。虽然在实验上通常通过降低κ_L来提高这一比值，但一般很难选择恰当的散射中心与特征尺寸来有效降低导热系数，同时弥补载流子迁移率μ和κ_L之间的影响。为了缓解μ和κ_L之间的相互影响，Slack [33] 提出了TE材料应该具有理想构型Phonon-Glass Electron-Crystal，即PGEC。这种材料应该像在晶体中一样具有良好的电学性能，并且像在非晶或类似玻璃的材料中一样具有极低的晶格热导。这种PGEC结构扩大了寻求新TE材料的选择范围，人们的注意力转向了具有复杂结构的材料。

Kim C等 [34] 将n型Bi₂Te₃与廉价的导电聚合物聚吡咯复合，获得一种具有界面能带的体结构材料，其中声子散射效应发生在两者的接触界面。其热电属性优化结果如图13所示 [34]，图13(a)中Bi₂Te₃-聚吡咯(BT-PPY)试样的电导率比Bi₂Te₃(BT)试样低30%，由其插图中可以看出聚吡咯的加入降低了载流子迁移率和载流子浓度；图13(b)中BT-PPY的塞贝克系数比Bi₂Te₃要高出30%左右，这样S²σ在测量温度范围内基本保持不变；图13(c)表明聚吡咯的引入导致了热导率的显著降低，由插图可看出其较低的载流子迁移率和载流子浓度导致BT-PPY的载流子热导率(κ_e)比Bi₂Te₃低32%~38%，并且由于BT-PPY界面的强烈声子散射，晶格热导率(κ_L)比BT低42%~69%，总热导率系数降低50%。在Bi₂Te₃中加入聚吡咯后，功率因子基本保持不变，而导热系数显著降低，ZT得到了显著的增强。在25℃时，Bi₂Te₃聚吡咯的ZT值为0.98，在100℃时ZT的最大值为1.21，在50℃~150℃之间，ZT平均值为1.18，大约是Bi₂Te₃试样的两倍，如图13(d)所示。

图13. Bi₂Te₃和Bi₂Te₃聚吡咯(BT-PPY)样品的热电输运性质与温度的关系：(a) 电导率(σ)，插图为载流子浓度(n)和载流子迁移率(μ)；(b) 塞贝克系数(S)和功率因子(S²σ)；(c) 导热系数，插图为载流子贡献(κ_e)和晶格贡献(κ_L)；(d) Bi₂Te₃-聚吡咯(BT-PPY)试样ZT值与Bi₂Te₃的ZT值

6. 应用前景

TE设备已经被用于远程任务、太阳能热系统、植入式或可穿戴设备、汽车工业等许多领域 [35] [36] [37]。未来的发展趋势是协同优化和整合有效因素，进一步提高TE性能，使高效TE材料和器件更有益于日常生活。例如微电子的规模小型化和多功能性很大程度上改变了我们的生活方式，随着电子设备单位空间能耗的不断下降，电源供应已经成为设计和实现这些设备的非常重要的问题。如图14所示 [38]，可穿戴TE能量转换设备通过将人体热量转化为有用的电能来为这些便携式电子设备提供动力，其中柔性薄膜和纤维基TE能量转换器件由于其优异的化学、物理和机械性能，在便携式低功率电子电源等方面显示出巨大的潜力 [39] [40]。

图14. (a) 手表大小的TEG (38 mm × 34 mm)；(b) 三个TEG(1)和光伏(PV)电池(2)集成在一件衬衫上，为心电图分析系统供电；(c) 体温发电的BiTe体系TEG热电器件

7. 结论

Bi₂Te₃系热电材料是目前应用较为广泛的热电材料，可用于余热发电、人体温差发电、太阳能热源发电、航空航天能源供给，以及可用于精密仪器芯片的制冷等特殊用途。Bi₂Te₃体系热电材料的性能仍在不断提升，通过不同优化方法改善其热电优值。研究人员通过理论分析研究以及实验论证，已经可以精确操控一些独立参数或者采用协同效应来改善热电材料的整体性能。目前，世界各国科技工作者研发的各类新型热电材料正在新能源行业得到广泛应用。

基金项目

国家自然科学基金项目(No.62041406, No.21603093)，南昌工程学院研究生创新项目(YJSCX202004)及大学生创新创业计划项目，江西省教育厅科技计划(Gjj201913)，湖南省研究生教育创新工程和专业能力提升工程项目(CX20200524)。

文章引用

宦鹤波,喻雪峰,张文华,沈 智,罗沛兰,徐国栋,付 凯,何雪龙,华 瑶,张俊红,周 憬,陈 哲. Bi₂Te₃系热电材料性能优化研究
Research on Properties Optimization of Bi₂Te₃ Thermoelectric Materials[J]. 材料科学, 2021, 11(07): 855-868. https://doi.org/10.12677/MS.2021.117099

参考文献