High thermoelectric performance in n-type bismuth sulfide by carrier concentration tuning and dense nanodomains

材料科学 热电效应 硫化物 热电材料 化学工程 矿物学 分析化学(期刊) 复合材料 冶金 热力学 环境化学 化学 热导率 物理 工程类
作者
Yahui Zhu,Xinyu Wang,Yalong Shen,Xu Yang,Feng Du,Jian Yang
出处
期刊:Journal of The European Ceramic Society [Elsevier BV]
标识
DOI:10.1016/j.jeurceramsoc.2024.02.025
摘要

Bi2S3 is regarded as one of the most promising thermoelectric materials because of its abundance, cost-effectiveness and environmentally friendly characteristics. This work delves into the impact of interstitial Cu on the composition, microstructure, and thermoelectric properties of the Cl-doped Bi2S3 bulks. The introduction of interstitial Cu as donors generates free electrons without compromising electron mobility. The excessive Cu induces the precipitation of Cu/Bi-rich phase and the Cu ions dynamically diffuse from these precipitates into the Bi2S3 lattice with increasing temperature. This effect significantly enhances electrical conductivity and power factor across a broad temperature range. Intriguingly, dense nanodomains are successfully constructed in the Bi2S3 sample. This unique defect, coupled with interstitial Cu, nanodomains, precipitates, and dislocations, establishes the hierarchical structures, leading to a low lattice thermal conductivity of 0.34 W m−1 K−1. Notably, the sample incorporating 4 at.% Cu achieves an exceptional peak ZT value of 0.67 at 673 K.
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