在废热中高效稳定地捕获电能的新角度 | NSR

然而，针对目前不同n型和p型材料较大的物理化学特性差异、繁琐的器件几何设计、p-n各自适配界面扩散阻挡层的筛选、传统焊接技术对器件组装和集成的限制、不同材料的热应力失配造成的器件服役时断裂或失效等问题。东华大学江莞-王连军教授课题组首次完成了全Mg₃Sb₂基热电器件从材料性能优化、器件结构设计、界面优化、焊接技术到器件可靠性评估的全链条研究。相关研究发表于《国家科学评论》（National Science Review, NSR），东华大学博士生蒋蒙和傅赟天为共同第一作者，东华大学江莞教授、王连军教授、德国IFW Dresden张骐昊博士为共同通讯作者。

该研究工作首先通过Zn-Ag共掺杂获得稳定的p型Mg₃Sb₂基化合物，并对其进行器件结构优化（图1）。随之获得了与其他p型材料相比更适配于n型Mg_3.2Bi_0.996SbSe_0.004的热膨胀系数（图2a）。进而，利用有限元仿真对包括热电臂、银焊层、铜电极结构的器件进行第一主应力、von Mises应力和最大偏移距离的定量分析，结果表明全Mg₃Sb₂热电模块具备优异的热力学稳定性，为器件集成提供了针对性指导。

图1 (a, b, c) Mg₃Sb₂基热电化合物晶体结构及有关原子相结果; (d, e) p/n型Mg₃Sb₂化合物的热电性能; (f) 器件结构设计。

图2 (a) 线性热膨胀系数; (b) 有限元仿真模型; (c, d) 热电臂第一主应力分布及数值对比; (e, f) von Mises应力分布及最大偏移距离对比。

进而，该工作发展的新型热电模块组装技术（图3）可以达到低温焊接、高温服役的效果，有效避免了传统焊接因压力和温度的限制造成热电臂损伤致使器件失效的问题。制备的多种热电模块（2对单偶、8对单偶）填充因子最高可达52%。在高温端为673 K，低温端为293 K时，最大热电转换效率达7.5%，打破目前同基体热电模块的记录。更关键的是，在473 K~673 K的热循环考核下，热电模块经历150个热循环可稳定运行225小时，展现出色的热循环稳定性（图4）。

图3 (a) 传统焊接技术示意图; (b) 新型复合银浆焊接技术示意图; (c) 银焊层热稳定性评估; (d) 银焊层导电性评估。

图4 (a) 不同温度下器件输出性能; (b) 两对和八对全Mg₃Sb₂基热电模块的转换效率; (c) 目前同基体热电模块的效率统计; (d) 全Mg₃Sb₂基热电模块的热循环可靠性评估。

该研究工作解决了目前中温区热电器件苦于焊接条件的限制而无法发挥材料本征优势的痛点，突破了中温区热电材料制备器件应用的技术瓶颈，有助于加速推动高转换效率、高可靠热电器件的实际应用。