Cu의 향상된 열전 성능

Aug 02, 2023

Scientific Reports 5권, 기사 번호: 14319(2015) 이 기사 인용

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낮은 가중치의 캐리어 이동성은 오랫동안 BiTeI의 열전(TE) 성능 향상을 위한 주요 과제로 간주되어 왔습니다. 이 벌크 반도체에서 Rashba 효과에 의해 유도된 2차원 상태 밀도는 열전력 향상에 유리하며, 이는 TE 애플리케이션을 위한 유망한 화합물이 됩니다. 이 보고서에서 우리는 작은 Cu-도펀트의 삽입이 결함 반응의 평형을 실질적으로 변경하고 도너-억셉터 보상을 선택적으로 중재하며 캐리어 전도성 네트워크의 결함 농도를 조정할 수 있음을 보여줍니다. 결과적으로 전자 산란을 담당하는 잠재적 변동이 감소하고 BiTeI의 캐리어 이동도가 10K에서 300K 사이에서 2~3배 향상될 수 있습니다. 캐리어 농도는 Te/I 구성비를 조정하여 최적화할 수도 있습니다. 이 Rashba 시스템에서 더 높은 열전력으로 이어집니다. BiTeI의 Cu-삽입은 더 높은 역률, 약간 더 낮은 격자 열전도율 및 결과적으로 성능 지수를 향상시킵니다. 원래의 BiTe0.98I1.02와 비교하여 Cu0.05BiTeI의 TE 성능은 300K와 520K에서 각각 150%와 20% 향상을 나타냅니다. 이러한 결과는 복잡한 TE 및 에너지 재료의 선택적 도핑에 의해 매개되는 결함 평형이 캐리어 이동성 및 성능 최적화에 대한 효과적인 접근 방식이 될 수 있음을 보여줍니다.

재료의 캐리어 이동성은 배터리, 광전지 및 열전에서 대표되는 것처럼 에너지 저장 및 변환에서 중요한 역할을 합니다. 리튬 이온 배터리 양극에서는 전자 이동도가 리튬 이온의 확산 속도와 일치할 만큼 높아야 합니다1. 박막 태양전지의 경우, 투명 전도성 산화물의 경우 충분한 전자 이동도가 선호되는 반면, 광기전 활성층은 높은 캐리어 이동도 × 전자 및 정공의 수명 곱을 가져야 합니다2,5. 한편, 열전(TE) 재료의 전기적 성능은 기본적으로 캐리어 이동도 μH, 더 구체적으로는 가중 이동도 μH(m*/me)3/2에 의존합니다. 여기서 m*과 me는 캐리어 유효 질량과 자유 전자 질량입니다. , 각각 6,7. 캐리어 이동성을 개선하는 것은 어렵지만 모든 고성능 에너지 재료에 있어서 중요합니다. 원칙적으로 캐리어는 주기적인 전위에서 충돌이 발생하지 않기 때문에 완벽한 결정에서 주기적으로 배열된 이온을 "볼" 수 없습니다. 그러나 격자 결함, 불순물 및 이온의 열 진동으로 인한 교란은 캐리어를 산란시키고 재료의 캐리어 수송 이동성을 저하시킬 수 있습니다8.

TE 기술은 직접적인 열-전기 에너지 변환을 촉진할 수 있는 잠재적인 후보 중 하나입니다9. 미세한 전기 전도체와 열악한 열 전도체가 결합된 TE 재료는 이 친환경 기술의 효율성을 향상시키는 열쇠입니다. TE 재료의 성능은 무차원 성능 지수에 의해 결정됩니다. 여기서 S는 열전력, T는 절대 온도, ρ는 전기 저항률, κ는 열 전도성, n은 캐리어 농도, e는 전자 전하입니다. 도핑 전략 및 결함 관련 접근법은 CoSb312,13,14, Mg2(Si, Sn)15, Bi2Te316 및 Pb(Se, Te)17과 같은 여러 종류의 고효율 TE 재료 시스템에서 TE 특성을 최적화하는 데 성공적으로 사용되었습니다. 18. 아이코닉성이 낮은 좁은 갭 반도체는 일반적으로 캐리어 이동도가 높아야 합니다19. 그러나 캐리어 농도를 조정하기 위한 도핑 및 밴드 구조를 설계하거나 격자 열전도율을 줄이기 위한 합금화와 같은 TE 성능을 최적화하는 방법은 필연적으로 재료에 장애와 무작위성을 도입하므로 캐리어 이동도 μH는 다음과 같이 저하될 수 있습니다. 예기치 않게 낮은 값6.