All-SnTe-Based Thermoelectric Power Generation Enabled by Stepwise Optimization of n-Type SnTe

化学 热电材料 兴奋剂 热电效应 光电子学 带隙 能量转换效率 材料科学 工程物理 纳米技术 热力学 物理
作者
Tao Hong,Bingchao Qin,Yongxin Qin,Shulin Bai,Ziyuan Wang,Qian Cao,Zhen‐Hua Ge,Xiao Zhang,Xiang Gao,Li‐Dong Zhao
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (12): 8727-8736 被引量:1
标识
DOI:10.1021/jacs.4c01525
摘要

The practical application of thermoelectric devices requires both high-performance n-type and p-type materials of the same system to avoid possible mismatches and improve device reliability. Currently, environmentally friendly SnTe thermoelectrics have witnessed extensive efforts to develop promising p-type transport, making it rather urgent to investigate the n-type counterparts with comparable performance. Herein, we develop a stepwise optimization strategy for improving the transport properties of n-type SnTe. First, we improve the n-type dopability of SnTe by PbSe alloying to narrow the band gap and obtain n-type transport in SnTe with halogen doping over the whole temperature range. Then, we introduce additional Pb atoms to compensate for the cationic vacancies in the SnTe-PbSe matrix, further enhancing the electron carrier concentration and electrical performance. Resultantly, the high-ranged thermoelectric performance of n-type SnTe is substantially optimized, achieving a peak ZT of ∼0.75 at 573 K with a high average ZT (ZTave) exceeding 0.5 from 300 to 823 K in the (SnTe0.98I0.02)0.6(Pb1.06Se)0.4 sample. Moreover, based on the performance optimization on n-type SnTe, for the first time, we fabricate an all-SnTe-based seven-pair thermoelectric device. This device can produce a maximum output power of ∼0.2 W and a conversion efficiency of ∼2.7% under a temperature difference of 350 K, demonstrating an important breakthrough for all-SnTe-based thermoelectric devices. Our research further illustrates the effectiveness and application potential of the environmentally friendly SnTe thermoelectrics for mid-temperature power generation.
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