Enhanced Density of States Facilitates High Thermoelectric Performance in Solution-Grown Ge- and In-Codoped SnSe Nanoplates

材料科学 热电效应 塞贝克系数 微晶 热导率 凝聚态物理 兴奋剂 热电材料 光电子学 X射线光电子能谱 纳米技术 化学工程 复合材料 冶金 热力学 工程类 物理
作者
Yaru Gong,Shihua Zhang,Yunxiang Hou,Shuang Li,Chong Wang,Wenjie Xiong,Qingtang Zhang,Xuefei Miao,Jizi Liu,Yang Cao,Di Li,Guang Chen,Guodong Tang
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:17 (1): 801-810 被引量:19
标识
DOI:10.1021/acsnano.2c11095
摘要

SnSe single crystals have gained great interest due to their excellent thermoelectric performance. However, polycrystalline SnSe is greatly desired due to facile processing, machinability, and scale-up application. Here, we report an outstanding high average ZT of 0.88 as well as a high peak ZT of 1.92 in solution-processed SnSe nanoplates. Nanosized boundaries formed by nanoplates and lattice strain created by lattice dislocations and stacking faults effectively scatter heat-carrying phonons, resulting in an ultralow lattice thermal conductivity of 0.19 W m-1 K-1 at 873 K. Ultraviolet photoelectron spectroscopy reveals that Ge and In incorporation produces an enhanced density of states in the electronic structure of SnSe, resulting in a large Seebeck coefficient. Ge and In codoping not only optimizes the Seebeck coefficient but also substantially increases the carrier concentration and electrical conductivity, helping to maintain a high power factor over a wide temperature range. Benefiting from an enhanced power factor and markedly reduced lattice thermal conductivity, high average ZT and peak ZT are achieved in Ge- and In-codoped SnSe nanoplates. This work achieves an ultrahigh average ZT of 0.88 in polycrystalline SnSe by adopting nontoxic element doping, potentially expanding its usefulness for various thermoelectric generator applications.

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