Thermoelectric enhancement for n-type PbS via synergistic effect of Ti doping and Cu2S compositing

材料科学 热电效应 热电材料 凝聚态物理 兴奋剂 塞贝克系数 热导率 带隙 声子 电子能带结构 光电子学 热力学 复合材料 物理
作者
Lin Gan,Fujie Zhang,Xuanwei Zhao,Yan Zhong,Qian Deng,Kun Zhang,Ran Ang
出处
期刊:Applied Physics Letters [American Institute of Physics]
卷期号:122 (3) 被引量:7
标识
DOI:10.1063/5.0130364
摘要

PbS is identified as a potential alternative candidate material for thermoelectric power generation and refrigeration, owing to the resemblance with PbTe in crystal and band structures. However, the thermoelectric performance has reached a bottleneck because of its inferior electronic structure and high lattice thermal conductivity. This work focuses on optimizing the electron–phonon transport by the synergistic effect of Ti and Cu2S in n-type PbS. The first-principles calculation, single Kane band model, and Debye model reveal the physical origin of thermoelectric enhancement. The Ti doping introduces a donor-defect state, leading to a high electrical conductivity and a suppression of bipolar diffusion. However, the band structure of PbS is not ideally optimized due to the localization effect of the Ti resonant impurity states. Furthermore, the co-added Cu2S induces additional point defects, multiscale secondary phases, and Cu-rich precipitates at grain boundaries, which significantly scatter phonons in a wide frequency range and reduce the lattice thermal conductivity. As a result, the maximum zT of ∼0.8 at 823 K and the average zTave of ∼0.46 from 300 to 623 K are achieved in n-type Pb0.99Ti0.01S–2%Cu2S, demonstrating the important roles of Ti and Cu2S on improving thermoelectrics in n-type PbS.
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