Leveraging Deep Levels in Narrow Bandgap Bi0.5Sb1.5Te3 for Record‐High zTave Near Room Temperature

材料科学 带隙 塞贝克系数 热电效应 凝聚态物理 兴奋剂 半导体 三元运算 热电材料 半金属 功勋 光电子学 热导率 热力学 复合材料 物理 程序设计语言 计算机科学
作者
Lipeng Hu,Fanchen Meng,Yanjie Zhou,Jibiao Li,Allen Benton,Junqin Li,Fusheng Liu,Chaohua Zhang,Heping Xie,Jian He
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:30 (45) 被引量:76
标识
DOI:10.1002/adfm.202005202
摘要

Abstract Deep levels in a narrow bandgap semiconductors are considered detrimental to their electrical performance. Here the constructive role of Indium‐induced deep levels in regulating the majority and minority carriers for state‐of‐the‐art average thermoelectric figure‐of‐merit zT ave between 300 and 500 K in narrow bandgap p‐type (Bi,Sb) 2 Te 3 is reported. Two compositional series in the pseudo‐ternary Bi 2 Te 3 ‐Sb 2 Te 3 ‐In 2 Te 3 phase diagram: Bi 0.475− x Sb 1.525 In x Te 3 (0 ≤ x ≤ 0.15) and Bi 0.475 Sb 1.525− y In y Te 3 (0 ≤ y ≤ 0.10), namely, the x ‐series and y ‐series are explored. In the x ‐series, the combined experimental and theoretical study shows that Indium doping induced donor‐like and acceptor‐like deep levels, enlarges the band gap, and flattens the conduction band edge, thereby weakening the temperature dependence of Seebeck coefficient and the bipolar heat conduction. Further doping the x ‐series with copper (aka shallow acceptors) to optimize the majority carrier concentration leads to a state‐of‐the‐art zT ≈ 1.61 at 390 K and record‐high average zT ave ≈ 1.47 between 300 and 500 K in p‐type Bi 0.396 Sb 1.525 In 0.075 Cu 0.004 Te 3 . These results attest to the efficacy of deep levels in narrow bandgap thermoelectrics for both power generation and solid‐state refrigeration near room temperature.

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