Realizing high power factor and thermoelectric performance in band engineered AgSbTe2

热电效应 材料科学 塞贝克系数 热电材料 兴奋剂 热导率 光电子学 功勋 凝聚态物理 工程物理 热力学 物理 复合材料
作者
Yu Zhang,Congcong Xing,Dongyang Wang,Aziz Genç,Seng Huat Lee,Chang Cheng,Zhi Li,Luyao Zheng,Khak Ho Lim,Hangtian Zhu,Rabeya Bosry Smriti,Yu Liu,Shaobo Cheng,Min Hong,Xiaolei Fan,Zhiqiang Mao,Li‐Dong Zhao,Andreu Cabot,Tiejun Zhu,Bed Poudel
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:16 (1): 22-22 被引量:25
标识
DOI:10.1038/s41467-024-55280-0
摘要

AgSbTe2 is a promising p-type thermoelectric material operating in the mid-temperature regime. To further enhance its thermoelectric performance, previous research has mainly focused on reducing lattice thermal conductivity by forming ordered nanoscale domains for instance. However, the relatively low power factor is the main limitation affecting the power density of AgSbTe2-based thermoelectric devices. In this work, we demonstrate that hole-doped AgSbTe2 with Sn induces the formation of a new impurity band just above the valence band maximum. This approach significantly improves the electrical transport properties, contrary to previous strategies that focused on reducing lattice thermal conductivity. As a result, we achieve a record-high power factor of 27 μWcm−1K−2 and a peak thermoelectric figure of merit zT of 2.5 at 673 K. This exceptional performance is attributed to an increased hole concentration resulting from the formation of the impurity band and a lower formation energy of the defect complexes ( $${V}_{{Ag}}^{1-}$$ + $${{Sn}}_{{Sb}}^{1-}$$ ). Besides, the doped materials exhibit a significantly improved Seebeck coefficient by inhibiting bipolar conductivity and preventing the formation of n-type Ag2Te. Additionally, the optimized AgSbTe2 is used to fabricate a unicouple thermoelectric device that achieves energy conversion efficiencies of up to 12.1% and a high power density of 1.13 Wcm−2. This study provides critical insights and guidance for optimizing the performance of p-type AgSbTe2 in thermoelectric applications. Sn doping enables a breakthrough in p-type AgSbTe2 for thermoelectric applications, achieving a zT of 2.5 and 12.1% device efficiency. The authors reveal an impurity band mechanism, offering a strategy for AgSbTe2 optimization.
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