[发明专利]一种用于室温附近固态制冷和废热余热发电的P型碲化铋基热电材料

说明书

本发明公开了一种用于室温附近固态制冷和废热余热发电的P型碲化铋基热电材料，化学式组成为Bi_2‑xSb_xTe_3‑ySe_y，其中0.1<x<0.7，0.1<y<0.5。本发明还公开了P型碲化铋基热电材料的制备方法，将原料进行粉碎、称量；将原料装入石英管内，抽真空到≤10^‑3Pa后进行密封；进行熔炼，获得多晶铸锭；然后进行区熔生长制得取向多晶铸锭，切割得到P型碲化铋基热电材料。本发明得到的P型碲化铋基热电材料在室温附近的热电优值zT为1左右，含有较少的Sb元素和Te元素，制备成本低。

技术领域

本发明属于热电材料领域，具体涉及一种用于室温附近固态制冷和废热余热发电的P型碲化铋基热电材料。

背景技术

热电材料是利用固体内部载流子与晶格的相互作用，实现电能和热能相互转换的材料。由P型和N型热电材料对串联集成的器件即为热电器件，可以用于发电或制冷。热电器件的工作效率主要依赖热电材料的热电优值zT，zT＝(α²σ/κ)T,其中α、σ和κ分别为塞贝克系数、电导率和热导率(包括载流子热导率κ_e和晶格热导率κ_l)，T为器件的服役温度。材料的热电优值zT随温度变化，碲化铋基合金(Bi₂Te₃)具有室温附近优异的热电优值，也是目前唯一大规模商业化应用于室温附近固态制冷和废热余热发电的热电材料。

热电领域主要通过区熔法与粉末冶金法制备碲化铋基热电材料。粉末冶金法引入大量晶界，有效散射声子，可以降低晶格热导率，提高材料的热电优值。但是，粉末冶金法制备成本较高而且需要后续热压(HP)或放电等离子烧结(SPS)成块体，无法大批量工业化生产而一直停留在科研阶段。

目前，常见的商业化碲化铋基热电材料仍是通过区熔法制备的。n型碲化铋基热电材料最高zT值为0.80-1.0，p型碲化铋基热电材料最高zT值为0.90-1.1。由于碲化铋基合金热电性能的各向异性，较强的织构有利于获得良好的热电性能。然而，具有较强织构如区熔法制备的取向多晶，其较高的晶格热导率(N型和P型室温附近大约为1Wm^-1K^-1)限制了热电性能的进一步提高。

公开号为CN 102108554 B的中国发明专利公开了一种高性能P型碲化铋基热电发电材料的制备方法，以工业化大批量生产的高纯碲块、铋块和锑块为原料，经过去氧化层、粉碎后，按一定的比例称量后置于处理好的玻璃管内，经过封装、熔化、区熔生长、退火，得到P型碲化铋基热电半导体晶棒，在30～300℃下，平均ZT值达0.75以上。

期刊Journal of Materials Science中“Thermoelectric properties ofBi₂Te₃-Sb₂Te₃-Sb₂Se₃,pseudo-ternary alloys in the temperature range 77 to 300K”1966,1(1):52-65一文公开了一种用于室温附近的固态制冷和废热余热发电的P型碲化铋基合金，以化学式计量为Bi_0.5Sb_1.5Te₃掺入Te熔炼而成，其室温附近的热电优值zT最高为1左右，但该P型碲化铋基合金含有大量昂贵的锑(Sb)元素和碲(Te)元素，成本较高。

发明内容

本发明提供了一种P型碲化铋基热电材料，制备成本低，产品室温附近的热电优值高，可广泛用于室温附近固态制冷和废热余热发电。

本发明采用以下技术方案：