一种高功率因子的铟掺杂碲化锡热电材料及其制备方法

本发明属于热电材料，具体涉及一种高功率因子的铟掺杂碲化锡热电材料及其制备方法。

背景技术：

1、公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

2、由于煤、石油和天然气等化石能源的不可再生性,能源危机已成为人类不得不面临的全球性问题。据统计,以当前的能源利用方式和效率,化石燃料燃烧产生的热量中近60％是以废弃热量的形式耗散掉的。因此，发展工业废热回收再利用技术提高能源利用率是降低能源短缺风险、减轻环境污染的有效路径之一。热电材料以电荷载流子为媒介实现热能和电能相互转换，所制成的热电器件在温差发电和低温制冷方面有广泛的应用前景。热电器件的主要性能参数有能量转化效率和输出功率密度，分别由热电材料的无量纲热电优值zt和功率因子pf决定。

3、碲化锡是一种环境友好型热电材料,因其无感知毒性、服役温区无相变、锡元素价格低廉等因素，近年来获得了广泛关注。但碲化锡基材料的热电性能相比于同结构的碲化铅基热电材料仍有差距，特别是室温附近较低的seebeck系数(～20μv/k)，使其中低温区pf较低。很多研究通过动态掺杂、能带工程和纳米复合等方法优化了其功率因子和热电性能，高温区功率因子和热电优值得到显著提升，但室温到中温的温度范围内其热电性能依然不理想，使其平均pf和zt值偏低，从而导致热电发电器件在实际应用的大温差条件下的输出功率密度和转化效率不高。因此，有必要发展新的制备工艺，调控和优化碲化锡热电材料的中低温区性能，实现热电发电器件大温差下发电性能的提升。

4、理论计算和实验表明，在碲化锡中掺杂铟元素可以引入共振能级，有效地提升材料在室温至中温的seebeck系数。但随着铟的引入，样品的载流子浓度和迁移率的竞争关系导致电导率下降，从而使得低温区功率因子提升不够明显，全温区平均功率因子不够高。

技术实现思路

1、为了解决现有技术的不足，本发明的目的是提供一种高功率因子的铟掺杂碲化锡热电材料及其制备方法。本发明旨在加强共振能级提升室温至中温的seebeck系数，同时优化载流子浓度和迁移率的竞争关系，进而保持相对高的电导率，而实现碲化锡全温区功率因子的提升。

2、为了实现上述目的，本发明是通过如下的技术方案来实现：

3、第一方面，本发明提供了一种高功率因子的铟掺杂碲化锡热电材料的制备方法，所述铟掺杂碲化锡热电材料的化学式为sn1-xinxte，x＝0.0075-0.0125，所述制备方法包括以下步骤：

4、s1、按铟掺杂碲化锡热电材料的化学式的化学计量比称取锡、碲和铟装入石英管中，将石英管抽真空，使用氢氧焰密封，然后放置于淬火炉中熔融，熔融后将石英管放入冷水中淬火；

5、s2、从淬火后的石英管中取出熔融后的合金锭，在研钵中充分研磨，取研磨后的粉末装入石墨模具放置于热压炉中，预压后抽真空，加压进行热压烧结，热压烧结后冷却，获得所述铟掺杂碲化锡热电材料。

6、第二方面，本发明提供了一种高功率因子的铟掺杂碲化锡热电材料，通过如第一方面所述的制备方法获得。

7、第三方面，本发明提供了如第二方面所述的高功率因子的铟掺杂碲化锡热电材料在制备热电器件中的应用。

8、上述本发明的一种或多种技术方案取得的有益效果如下：

9、本发明通过熔融、研磨、热压烧结的制备方法，加强共振能级提升室温至中温的seebeck系数，同时优化载流子浓度和迁移率的竞争关系，进而保持相对高的电导率，而实现碲化锡全温区功率因子的提升。

10、本发明制备出的铟掺杂碲化锡(sn0.99in0.01te)在室温附近的电阻率为0.307mω·cm，seebeck系数达到87.4μv/k，低的电阻率和高的seebeck系数使得样品在整个测试温区(323-823k)都保持大于20μwcm-1k-2的功率因子，且在323k时取得最大功率因子24.845μwcm-1k-2。样品在323-823k温度区间内的平均功率因子(pfave)达到22.46μwcm-1k-2，工程功率因子(pfeng)最高取得1.18wm-1k-1，远高于纯的碲化锡和已报道的单掺杂碲化锡热电材料的数值。样品高的功率因子使得其热电单臂发电模块在温差600k时获得最大的理论输出功率密度0.89wcm-2。

11、本发明进行了重复实验，其得到研究结果呈现相同变化趋势和误差允许范围的可重复数据，充分证明了本发明是可靠的和研究数据是可重复的。

技术特征：

1.一种高功率因子的铟掺杂碲化锡热电材料的制备方法，其特征在于，所述铟掺杂碲化锡热电材料的化学式为sn1-xinxte，x＝0.0075-0.0125，所述制备方法包括以下步骤：

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤s1中，抽真空至石英管内压强低于0.09pa。

3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤s1中，熔融的工艺条件为：首先以每分钟0.5-1k的速率缓慢升温到703-753k，并在此温区保温1.5-2.5小时，随后以每分钟1-2k的速率升温至1253-1303k，并在保温5.5-6.5小时。

4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤s2中，研磨时间为20-30分钟。

5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤s2中，所述预压为在单轴压力25-35mpa条件下预压1-3分钟。

6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，预压后抽真空至10pa及以下。

7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述热压烧结具体为在保持单轴压力为45-55mpa的条件下，首先缓慢升温到373k，随后在20-25分钟内升温到803-843k并保温50-70分钟。

8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，热压烧结后冷却至473-523k时关闭真空泵并撤去压力。

9.一种高功率因子的铟掺杂碲化锡热电材料，其特征在于，通过如权利要求1-8任一项所述的制备方法获得。

10.如权利要求9所述的高功率因子的铟掺杂碲化锡热电材料在制备热电器件中的应用。

技术总结
本发明属于热电材料技术领域，具体涉及一种高功率因子的铟掺杂碲化锡热电材料及其制备方法。所述铟掺杂碲化锡热电材料的化学式为Sn<subgt;1‑x</subgt;In<subgt;x</subgt;Te，x＝0.0075‑0.0125，制备方法包括以下步骤：按化学计量比称取锡、碲和铟装入石英管中，将石英管抽真空，使用氢氧焰密封，然后放置于淬火炉中熔融，熔融后将石英管放入冷水中淬火；从淬火后的石英管中取出熔融后的合金锭，在研钵中充分研磨，取研磨后的粉末装入石墨模具放置于热压炉中，预压后抽真空，加压进行热压烧结，热压烧结后冷却，获得所述铟掺杂碲化锡热电材料。本发明通过加强共振能级提升室温至中温的Seebeck系数，优化载流子浓度和迁移率的竞争关系，保持相对高的电导率，提升碲化锡全温区功率因子。

技术研发人员：王洪超,李志昊,王龙,苏文斌,王春雷
受保护的技术使用者：山东大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15