Prestazioni termoelettriche migliorate in Cu

Aug 02, 2023

Scientific Reports volume 5, numero articolo: 14319 (2015) Citare questo articolo

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La mobilità dei vettori a basso peso è stata a lungo considerata la sfida chiave per il miglioramento delle prestazioni termoelettriche (TE) in BiTeI. La densità bidimensionale degli stati indotta dall'effetto Rashba in questo semiconduttore sfuso è vantaggiosa per il miglioramento della potenza termica, il che lo rende un potenziale composto per applicazioni TE. In questo rapporto, mostriamo che l'intercalazione di minori Cu-droganti può alterare sostanzialmente gli equilibri delle reazioni dei difetti, mediare selettivamente la compensazione donatore-accettore e ottimizzare la concentrazione dei difetti nella rete conduttiva del portatore. Di conseguenza, le potenziali fluttuazioni responsabili della diffusione degli elettroni sono ridotte e la mobilità dei portatori in BiTeI può essere aumentata di un fattore da due a tre tra 10 K e 300 K. La concentrazione dei portatori può anche essere ottimizzata regolando il rapporto di composizione Te/I, portando a una maggiore potenza termica in questo sistema Rashba. L'intercalazione di Cu nel BiTeI dà luogo a un fattore di potenza più elevato, una conduttività termica reticolare leggermente inferiore e di conseguenza una figura di merito migliorata. Rispetto al BiTe0.98I1.02 originale, le prestazioni TE in Cu0.05BiTeI rivelano un miglioramento del 150% e del 20% rispettivamente a 300 e 520 K. Questi risultati dimostrano che gli equilibri di difetti mediati dal drogaggio selettivo in TE complessi e materiali energetici potrebbero essere un approccio efficace alla mobilità dei portatori e all'ottimizzazione delle prestazioni.

La mobilità dei vettori nei materiali svolge un ruolo importante nello stoccaggio e nella conversione dell'energia, come esemplificato nelle batterie, nel fotovoltaico e nel termoelettrico1,2,3,4. Nei catodi delle batterie agli ioni di litio, la mobilità degli elettroni deve essere sufficientemente elevata da corrispondere alla velocità di diffusione degli ioni di litio1. Per quanto riguarda le celle solari a film sottile, è favorita una sufficiente mobilità degli elettroni per l'ossido conduttivo trasparente, mentre lo strato fotovoltaicamente attivo dovrebbe possedere un'elevata mobilità dei portatori × prodotti di durata per elettroni e lacune2,5. Nel frattempo, le prestazioni elettriche dei materiali termoelettrici (TE) si basano fondamentalmente sulla mobilità del portatore μH e più specificamente sulla mobilità ponderata μH (m*/me)3/2, dove m* e me sono la massa effettiva del portatore e la massa dell'elettrone libero , rispettivamente6,7. Migliorare la mobilità dei trasportatori è impegnativo ma significativo per tutti i materiali energetici ad alte prestazioni. In linea di principio, nei cristalli perfetti, i portatori non possono "vedere" gli ioni disposti periodicamente, poiché nel potenziale periodico non si verificano collisioni per i portatori. Tuttavia, le perturbazioni dovute alle imperfezioni del reticolo, alle impurità e alle vibrazioni termiche degli ioni possono disperdere i portatori e deteriorare la mobilità del trasporto dei portatori nei materiali8.

La tecnologia TE è un potenziale candidato che può facilitare la conversione diretta dell’energia termica in elettrica9. I materiali TE, combinazioni di conduttori elettrici fini e conduttori termici scadenti, sono la chiave per migliorare l’efficienza di questa tecnologia verde. Le prestazioni di un materiale TE sono determinate dalla sua cifra di merito adimensionale, dove S è la potenza termica, T la temperatura assoluta, ρ la resistività elettrica, κ la conducibilità termica, n la concentrazione del portatore ed e la carica dell'elettrone10,11. Le strategie di doping e gli approcci relativi ai difetti sono stati utilizzati con successo per ottimizzare le proprietà TE in diverse classi di sistemi di materiali TE ad alta efficienza, come CoSb312,13,14, Mg2(Si, Sn)15, Bi2Te316 e Pb(Se, Te)17, 18. I semiconduttori a gap stretto con bassa iconicità generalmente dovrebbero avere un’elevata mobilità dei portatori19. Tuttavia, i metodi per ottimizzare le prestazioni TE, come il drogaggio per regolare la concentrazione del portatore e l'alligazione per progettare la struttura della banda o ridurre la conduttività termica del reticolo, introdurrebbero inevitabilmente disordini e casualità nei materiali, pertanto la mobilità del portatore μH può essere deteriorata a valori inaspettatamente bassi6.