一种相同化学成分BiSbSe3-xTex的n型与p型热电材料及其制备方法和应用

本发明属于热电材料，具体涉及一种相同化学成分bisbse3-xtex的n型与p型热电材料及其制备方法和应用。

背景技术：

1、热电材料、热电转换效应以及应用技术的研究具有悠长的历史。由于热电材料可实现热能与电能之间的相互转换，且具有无噪声、无振动、无污染等优点，可极大地提高能源利用率并减少环境污染，对其进行研究，为发展新型能源技术打开了新的视角。

2、根据热电材料输运载流子的不同，将其分为n型热电材料和p型热电材料。n型和p型热电材料可分别制成n型热电偶臂和p型热电偶臂。将一个n型热电偶臂和p型热电偶臂构成的π形元件以热并联、电串联的方式组装即可构成热电转换器件。当构成n型热电偶臂与p型热电偶臂材料的结构与成分差异越小时，由其组成热电组件的发电效率、输出功率、制冷效率以及最大制冷量等的值才会越大，即热电转换性能才会越优异。同时，较小的结构与成分差异可使n型热电偶臂与p型热电偶臂材料具有更为相近的热膨胀系数，可有效降低由热膨胀系数差异造成的应力集中，从而提高热电组件的机械性能，并对热电臂的高度、形状和面积等方面的设计提供了更大的可行性与灵活性。

3、现有技术在制备n型和p型热电材料时，大多通过在基体热电材料的不同位置进行元素替代掺杂，以产生电子或空穴，从而使其分别呈现出n型和p型的导电方式。但是，由其制得的热电材料的热电转换效率大多偏低，并且其组成的热电组件机械强度较差。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明的目的在于提供一种相同化学成分bisbse3-xtex的n型与p型热电材料及其制备方法和应用，本发明提供的热电材料可以制成具有相同化学成分的n型和p型热电材料，能减少载流子在传递时所遇到的阻碍以及热电组件的应力集中，提高热电转换的效率和机械性能。

2、为了实现上述目的，本发明提供了以下技术方案：

3、本发明提供了一种相同化学成分bisbse3-xtex的n型与p型的热电材料，包括n型热电材料或p型热电材料，所述n型热电材料或p型热电材料的分子式独立为bisbse3-xtex，1≤x≤1.75。

4、优选的，所述x为1、1.25、1.5、1.75。

5、本发明还提供了上述技术方案所述热电材料的制备方法，包括以下步骤：

6、将bi单质、sb单质、se单质和te单质混合，所得混合料在真空环境中合金化烧结后，进行粉碎，得到合金化粉体；

7、将所述合金化粉体进行热压烧结，得到n型热电材料；

8、所述热压烧结的压力为30～50mpa，温度为400～450℃，保温时间为1～3h；

9、将所述合金化粉体预压成型后，进行烧结，得到p型热电材料；

10、所述预压成型的压力为5～10mpa，时间为3～5min；

11、所述烧结的温度为400～450℃，保温时间为6～9h。

12、优选的，所述真空环境的真空度＜1.0×10-2pa。

13、优选的，所述合金化烧结包括依次进行的第一合金化烧结和第二合金化烧结；所述第一合金化烧结的温度为300～500℃，保温时间为0.5～1h；所述第二合金化烧结的温度为700～900℃，保温时间为6～9h。

14、优选的，升温至所述第一合金化烧结温度和第二合金化烧结温度的升温速率独立为5～8℃/min。

15、优选的，所述合金化粉体的粒径为1～100μm。

16、优选的，所述bi单质、sb单质、se单质和te单质的纯度独立＞99.99％。

17、优选的，所述bi单质、sb单质、se单质和te单质均为单质颗粒。

18、本发明还提供了上述技术方案所述热电材料或上述技术方案所述制备方法制备得到的热电材料在热电组件中的应用。

19、本发明提供了一种相同化学成分bisbse3-xtex的n型与p型的热电材料，包括n型热电材料或p型热电材料，所述n型热电材料或p型热电材料的分子式独立为bisbse3-xtex，1≤x≤1.75。本发明提供的热电材料可以制成具有相同化学成分的n型和p型热电材料。实施例结果表明，n型bisbse3-xtex热电材料的塞贝克系数s为-135μvk-1～-161μvk-1，功率因子pf为554μwm-1k-2～687μwm-1k-2，热导率κ为0.68wm-1k-1～0.82wm-1k-1，p型bisbse3-xtex热电材料的塞贝克系数s为69μvk-1～257μvk-1，功率因子pf为16μwm-1k-2～173μwm-1k-2，热导率κ为0.46wm-1k-1～0.70wm-1k-1。因n型和p型热电材料的成分相同，合金结构相似，故可极大地减少载流子在传递时所遇到的阻碍，进而显著地提高热电转换的效率。因其具有相近的热膨胀系数，可有效降低由热膨胀系数差异造成的应力集中，提高热电组件的机械性能，为开发设计性能优良的热电器件提供助力。

20、本发明提供了上述热电材料的制备方法。本发明通过调整预压成型和热压烧结的条件，可以将bisbse3-xtex热电材料，分别制成n型和p型热电材料。本发明所采用的制备方法简单、周期短、生产成本低，且整个制备过程中无有毒有害气体的产生，减少对环境污染，便于在规模化生产中使用等优点，对于开发由组成元素相同的n型和p型热电材料制备具有着重要的意义。

技术特征：

1.一种相同化学成分bisbse3-xtex的n型与p型的热电材料，包括n型热电材料或p型热电材料，其特征在于，所述n型热电材料或p型热电材料的分子式独立为bisbse3-xtex，1≤x≤1.75。

2.根据权利要求1所述的热电材料，其特征在于，所述x为1、1.25、1.5、1.75。

3.权利要求1～2任一项所述热电材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述真空环境的真空度＜1.0×10-2pa。

5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述合金化烧结包括依次进行的第一合金化烧结和第二合金化烧结；所述第一合金化烧结的温度为300～500℃，保温时间为0.5～1h；所述第二合金化烧结的温度为700～900℃，保温时间为6～9h。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，升温至所述第一合金化烧结温度和第二合金化烧结温度的升温速率独立为5～8℃/min。

7.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述合金化粉体的粒径为1～100μm。

8.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述bi单质、sb单质、se单质和te单质的纯度独立＞99.99％。

9.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述bi单质、sb单质、se单质和te单质均为单质颗粒。

10.权利要求1或2所述热电材料或权利要求3～9任一项所述制备方法制备得到的热电材料在热电组件中的应用。

技术总结
本发明属于热电材料技术领域，具体涉及一种相同化学成分BiSbSe<subgt;3‑x</subgt;Te<subgt;x</subgt;的n型与p型热电材料及其制备方法和应用。本发明提供了一种热电材料，包括n型热电材料或p型热电材料，所述n型热电材料或p型热电材料的分子式独立为BiSbSe<subgt;3‑x</subgt;Te<subgt;x</subgt;，1≤x≤1.75。本发明提供的热电材料可以制成n型和p型热电材料，因n型和p型热电材料的成分相同，合金结构相似，故可极大地减少载流子在传递时所遇到的阻碍，进而显著地提高热电转换的效率。因其具有相近的热膨胀系数，可有效降低由热膨胀系数差异造成的应力集中，提高热电组件的机械性能，为开发设计性能优良的热电器件提供助力。

技术研发人员：康慧君,王同敏,田震,郭恩宇,陈宗宁,曹志强,卢一平,接金川,张宇博,李廷举
受保护的技术使用者：大连理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13