Chalcogenide perovskite BaZrS3 bulks for thermoelectric conversion with ultra-high carrier mobility and low thermal conductivity

材料科学 硫系化合物 钙钛矿(结构) 热电效应 热导率 热电材料 电子迁移率 电阻率和电导率 光电子学 化学工程 复合材料 热力学 电气工程 物理 工程类
作者
Zhe Yang,Yanbing Han,Yurun Liang,Weixia Shen,Zhuangfei Zhang,Chao Fang,Qianqian Wang,Biao Wan,Liangchao Chen,Yuewen Zhang,Xiaopeng Jia
出处
期刊:Acta Materialia [Elsevier]
卷期号:: 120156-120156
标识
DOI:10.1016/j.actamat.2024.120156
摘要

Chalcogenide perovskites are expected to be promising thermoelectric materials, since they not only possess efficient carrier transport and defect tolerance, but also demonstrate unique advantages of high thermodynamic stability, eco-friendly and earth-abundant constituents. Especially, theoretical reports have predicted their "glass-like" thermal conductivities. However, experimental investigation on thermoelectric performances of chalcogenide perovskite BaZrS3 is extremely scarce due to the difficulty in preparing high-quality bulk samples, which originates from the brittle nature, high melting point, and the large difference in melting points between Ba/S and Zr. In this work, pure phase BaZrS3 bulks with high relative density reaching 100% are realized by optimized sulfurization from low-cost BaZrO3 powders combined with fast spark plasma sintering. A maximum zT value of 0.37 at 623 K in BaZrS3 bulks is achieved, which is the record-high value among the reported sulfide, halide, and hybrid perovskite materials. A room-temperature electron mobility up to 385 cm2V−1s−1 is among the highest values for perovskites due to the high phase purity, dense morphology and corner-sharing ZrS6 octahedral three-dimensional network as effective carrier channels. Meanwhile, a measured low lattice thermal conductivity of 1.11 Wm−1K−1 at 623 K is attributed to the intense phonon scattering from the intrinsic distorted-perovskite structure and the lattice defects by sulfur deficiency. Moreover, the BaZrS3 bulks in this work are stable against moisture/air and high temperature test. This work provides new insights into the fundamental electrical and thermal properties of chalcogenide perovskites, and highlights their great potential in the practical thermoelectric applications.
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