论文部分内容阅读
自然界和人类活动中存在着能量巨大的耗散废热未被利用,而利用半导体Seebeck效应的热电转换技术可以将这些废热直接转换成高品质的电能,由于热电转换技术具有无运动部件、安全可靠、不排放燃烧污染物和应用温度范围宽等特点,作为一种新型清洁能源技术被广泛应用。性能优异的热电材料是获得高性能热电器件的基础,目前PbTe和Bi2Te3体系作为高性能热电材料在商业上被使用,但其含有有毒元素、原材料昂贵及较低的转换效率而使其应用受到限制。因此,由廉价、环保和以地球丰富元素为原料的热电材料Cu2Se引起了研究者的广泛关注。Cu2Se是一种典型的“电子晶体-声子液体”材料,其具有优异的热电性能,但由于其较差的热稳定性而使其实际应用受到限制。本论文采用熔剂法分别制备了单晶Cu2Se热电材料和纳米层状Cu2Se热电材料,研究不同的起始含量比、熔剂比例及元素掺杂对材料的结构、晶体质量、热电性能和热稳定性的影响。本论文获得了以下结论:1、采用Bi熔剂法基于不同化学计量比Cu2Se(1+x)Bi3(x=0,0.01,0.02和0.03)制备了单晶α-Cu2Se热电材料。结果表明,通过Bi熔剂法制备的单晶α-Cu2Se热电材料具有较高功率因子及良好热稳定性,其中单晶α-Cu2Se1.01样品在690 K下获得最高功率因子1.53× 10-3W·m-1.K-2,明显高于多晶样品。热分析结果表明,在熔点以下材料未发现重量损失且经过三次连续热循环后,功率因子在660 K时仅下降0.04×10-3W·m-1.K-2,与热压法制备的多晶样品相比,热稳定性明显提高。2、采用NaCl熔剂法基于不同化学计量比Cu2Se(NaCl)x(x=1.5,2,2.5,3,和3.5)制备了纳米层状Cu2Se热电材料。实验结果表明,NaCl熔剂的量可以有效调制Cu2Se材料的结构,当1.5≤x≤2.5时,样品具有单一的α相结构,而当x≥3时,样品中含有α相和β相结构。同时,由于采用NaCl熔剂法制备的样品层状纳米结构,因此与采用其他方法制备的样品相比具有更低的热导率,Cu2Se(NaCl)2.5在所有样品中显示出最佳的热电性能,其最大ZT值在700 K时达到 1.42。3、采用 NaCl 熔剂法制备了一系列 Cu2-xSeCdx(x=0,0.0075,0.01 和 0.02)样品。实验结果表明,Cd原子在Cu2Se中的溶解度非常低,并且少量固溶的Cd原子能显著降低Cu2Se材料的热导率,从而提高材料的热电性能。然而,过量Cd掺杂会导致样品中出现CdSe第二相,CdSe的存在致使Cu2Se材料的热电性能降低。最终Cu1.9925SeCd0.0075样品在700 K时获得最高ZT值1.61,相较于未掺杂样品ZT值提高了约12%。