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Valence Disproportionation of GeS in the PbS Matrix Forms Pb5Ge5S12 Inclusions with Conduction Band Alignment Leading to High n-Type Thermoelectric Performance

化学 热电效应 歧化 热电材料 兴奋剂 电子迁移率 热传导 价(化学) 带隙 分析化学(期刊) 凝聚态物理 材料科学 光电子学 热力学 复合材料 催化作用 物理 有机化学 生物化学 色谱法
作者
Zhong‐Zhen Luo,Songting Cai,Shiqiang Hao,Trevor P. Bailey,Hongyao Xie,Tyler J. Slade,Yukun Liu,Yubo Luo,Zixuan Chen,Jianwei Xu,Wenjun Luo,Yan Yu,Ctirad Uher,Chris Wolverton,Vinayak P. Dravid,Zhigang Zou,Qingyu Yan,Mercouri G. Kanatzidis
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:144 (16): 7402-7413 被引量:19
标识
DOI:10.1021/jacs.2c01706
摘要

Converting waste heat into useful electricity using solid-state thermoelectrics has a potential for enormous global energy savings. Lead chalcogenides are among the most prominent thermoelectric materials, whose performance decreases with an increase in chalcogen amounts (e.g., PbTe > PbSe > PbS). Herein, we demonstrate the simultaneous optimization of the electrical and thermal transport properties of PbS-based compounds by alloying with GeS. The addition of GeS triggers a complex cascade of beneficial events as follows: Ge2+ substitution in Pb2+ and discordant off-center behavior; formation of Pb5Ge5S12 as stable second-phase inclusions through valence disproportionation of Ge2+ to Ge0 and Ge4+. PbS and Pb5Ge5S12 exhibit good conduction band energy alignment that preserves the high electron mobility; the formation of Pb5Ge5S12 increases the electron carrier concentration by introducing S vacancies. Sb doping as the electron donor produces a large power factor and low lattice thermal conductivity (κlat) of ∼0.61 W m-1 K-1. The highest performance was obtained for the 14% GeS-alloyed samples, which exhibited an increased room-temperature electron mobility of ∼121 cm2 V-1 s-1 for 3 × 1019 cm-3 carrier density and a ZT of 1.32 at 923 K. This is ∼55% greater than the corresponding Sb-doped PbS sample and is one of the highest reported for the n-type PbS system. Moreover, the average ZT (ZTavg) of ∼0.76 from 400 to 923 K is the highest for PbS-based systems.
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