[发明专利]含硫属元素的化合物、其制备方法和包含其的热电元件

说明书

本发明提供了以下化学式1的新的含硫属元素的化合物、用于制备其的方法和包含其的热电元件，所述含硫属元素的化合物在对应于热电元件的驱动温度的温度下表现出优异的相稳定性，并且还通过功率因数的增加和热导率的降低而表现出优异的热电性能指数(ZT)。[化学式1]V_1‑xM_xSn_4‑yPb_yBi₂Se_7‑zTe_z，在上式1中，V为空位，M为碱金属，x大于0且小于1，y大于0且小于4，以及z大于0且小于或等于1。

技术领域

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年6月27日向韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2017-0081229号的申请日的权益，其全部内容通过引用并入本文。

本发明涉及新的含硫属元素的化合物、用于制备其的方法和包含其的热电元件，所述含硫属元素的化合物在对应于热电元件的驱动温度的温度下表现出优异的相稳定性，并且还通过功率因数的增加和热导率的降低而表现出优异的热电性能指数(ZT)。

背景技术

近来，由于资源枯竭和由燃烧引起的环境问题，加快了对使用废热的热电转换材料作为替代能源之一的研究。

热电转换材料的能量转换效率取决于作为热电转换材料的热电性能指数值的ZT。在此，如以下数学式1中所示，ZT根据塞贝克系数(Seebeckcoefficient)、电导率、热导率等来确定，更具体地，ZT与塞贝克系数的平方和电导率成正比，并且与热导率成反比：

[数学式1]

ZT＝S²σT/K，

(在数学式1中，σ为电导率，S为塞贝克系数，并且K为热导率)。

因此，为了提高热电转换元件的能量转换效率，需要开发具有高塞贝克系数(S)或电导率(σ)并因此表现出高功率因数(PF＝σS²)、或者具有低热导率(K)的热电转换材料。

在长期已知的各种热电转换材料中，已知例如具有与氯化钠(NaCl)相关或类似的晶格结构(其中一些晶格位点为空)的热电转换材料例如PbTe、Bi₂Te₃、SnSe等表现出优异的热电转换特性。具有这样的晶格结构的材料表现出优异的电导率，并且由于一些晶格位点为空还表现出低热导率。因此，可以表现出优异的热电转换特性。

然而，在具有与氯化钠相同的面心立方晶格结构的同时具有其中一些晶格位点为空的空位的热电转换材料几乎不为人知。

此外，在作为基于Sn-Bi-Se的含硫属元素的化合物之一的Sn₄Bi₂Se₇的情况下，其具有与氯化钠相同的面心立方晶格结构，并且已知一些晶格位点(具体地，阳离子位点的约14.3％)为空位点。作为参照，图1示出了典型的基于Sn-Bi-Se的含硫属元素的化合物的相稳定性图，在Sn₄Bi₂Se₇的情况下，已知其在约580℃至720℃的温度下具有面心立方晶格结构(图1中由圆圈表示的部分)。

然而，在这些含硫属元素的化合物的情况下，相仅在约580℃至720℃的温度下稳定地保持，但是在比该温度低的温度下，特别是在热电元件的驱动温度下，发生分解成其他相，并因此没有表现出相稳定性。

因此，已经预测到含硫属元素的化合物表现出与氯化钠相同的面心立方晶格结构并且包括一些空的晶格位点，并因此表现出低的热导率和优异的热电特性。然而，由于其在对应于热电元件的一般驱动温度的约580℃或更低的温度下表现出差的相稳定性，因此存在其作为热电转换材料的应用非常有限的问题。

发明内容