熱電器件可以收集廢熱并将其直接轉化為電能，從而提高燃油效率并減少二氧化碳排放。由于具有無移動部件、無噪音、可靠性高、使用壽命長、結構緊湊、易于集成到現有系統等優點，在低品位能源回收方面有廣闊的應用前景。然而，目前熱電轉化效率仍較低，且所使用的熱電材料多數含有稀缺或有毒元素，這嚴重阻礙了現有器件在發電方面，尤其是在500 K以上廢熱回收領域的大規模應用。因此，亟需開發新一代高性能、成本低廉且環保的新型熱電器件。

近期，我校材料科學與工程學院江莞、王連軍教授團隊在前期Bi₂Te₃、CoSb₃基熱電器件工作的基礎上（Nano Energy, 2017, 41: 501-510；Advanced Energy Materials, 2020, 10(2): 1902986），進一步開發了由n型Mg₃(Bi,Sb)₂和p型CoSb₃組成的新型熱電器件。該工作涵蓋了從材料設計到器件集成的全鍊條研究，包括材料成分和微結構優化，篩選有效的界面連接層，合理設計器件結構及器件服役性能表征等。最終，器件可在750 K的溫度下穩定運行，在450 K的溫差下實現超過9%的轉換效率，且獲得了比現有熱電器件更高的性價比（圖1）。該成果為新型熱電器件的開發提供了新途徑，将極大地推動熱電發電技術的應用化進程。

圖1 (a) Mg₃(Bi,Sb)₂/CoSb₃器件在不同溫差下的轉換效率與現有器件的對比； (b) 不同器件在溫差為450 K時的發電成本效益和轉換效率。

圖2 n型Mg₃(Bi,Sb)₂材料性能與阻擋層材料篩選：(a, b) 平均zT及材料成本與文獻對比; (c, d) 阻擋層高通量篩選方法及結果對比。

    該工作首先調控了Mg₃Bi₂和Mg₃Sb₂的固溶比、Se的摻雜量，并優化燒結工藝，使得n型Mg_3.2Bi_0.996SbSe_0.004樣品在300~700 K的平均zT達到1以上，優于目前大部分Se摻雜的Mg₃(Bi,Sb)₂材料（圖2a，b）。進一步，為了獲得合适的阻擋層材料，開發了一種新的高通量篩選方法（圖2c，d），避免了備選元素材料之間的相互反應或幹擾，并實現了加速熱老化前後樣品變化的精确跟蹤。由于粉末顆粒的有序分布，極大提高了表征效率，實現了界面擴散阻擋層的快速和高效篩選。

圖3 器件結構設計、集成與性能表征：(a) 有限元法結構設計示意圖(b, c) 結構參數A_p/A_n及H/A_pn (d) 器件制備流程圖(e) 器件電壓和輸出功率與電流的關系(f) 器件最大轉換效率和最大功率與溫度的關系(g) 器件熱循環性能

進而，利用有限元仿真對由n型Mg₃(Bi,Sb)₂和目前已報道的低成本、無毒的p型熱電材料所構成器件的性能進行了預測及優化。最終，綜合考慮材料穩定性、工藝難度等因素，選用p型CoSb₃基填充方钴礦材料制備熱電器件，并進一步模拟确定了器件的尺寸參數（圖3a-c）。通過優化器件集成工藝，對器件進行了制備（圖3d）。器件測試結果表明，在高溫端為748 K，低溫端為293 K時，最大轉換效率超過9%（圖3e-f）。并且，該器件在熱循環測試中表現出良好的穩定性，經過150次熱循環（約275小時）測試後，功率和效率衰減均低于5% （圖3g）。

該工作首次實現了Mg₃(Bi,Sb)₂基熱電器件的中溫發電，證明了該材料制備中溫發電器件的可行性和通用性。通過材料到器件全鍊條研究為後續制造和開發高效、穩定且低成本的熱電器件提供了一條可行的途徑。該成果以“可在750 K穩定高效利用廢熱的Mg₃(Bi,Sb)₂基熱電模塊”為題發表在Energy & Environmental Science期刊上，并被選為當期封面。材料科學與工程學院博士生傅赟天和德國IFW Dresden張骐昊博士為共同第一作者，王連軍教授、Kornelius Nielsch教授、張骐昊博士為共同通訊作者。該研究得到了國家自然科學基金和上海市教委科研創新計劃等項目的資助。

文章鍊接：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/ee/d2ee01038k