上海硅酸鹽所在高效熱電材料和器件研究方面取得系列進展

　　中國作為世界上最大能源消費國，深受資源短缺和資源利用效率低等問題的困擾，迫切需要新的能源技術(shù)來緩解化石燃料過度消耗及其造成的環(huán)境破壞、氣候惡化等一系列問題。以汽車、鋼鐵、石化等支柱型產(chǎn)業(yè)為代表的傳統(tǒng)制造業(yè)消耗大量化石能源同時排放大量的工業(yè)余廢熱。目前我國的總體能源利用效率為33%左右，比發(fā)達國家低約10個百分點，其中50%的工業(yè)耗能以各種形式的余熱被直接廢棄。因此，發(fā)展工業(yè)余廢熱的高效利用技術(shù)，對節(jié)能減排、保護環(huán)境、進一步提升我國制造業(yè)在國際市場上的競爭力和地位具有重要意義。

　　熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)是一種環(huán)境友好型的能量轉(zhuǎn)換技術(shù)，可利用熱電材料將熱能與電能直接進行相互轉(zhuǎn)換，具有系統(tǒng)體積小、可靠性高、能夠有效利用低密度能量等特點，特別適合于低品位廢熱的回收利用。美國、德國、日本等發(fā)達國家在近年來持續(xù)進行熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)的研發(fā)和推廣應用。在科技部、國家自然科學基金等國家和地方科技計劃的資助下，我國的熱電材料與器件研究在過去十余年也取得了快速發(fā)展，有力推動了熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)的工業(yè)應用。

　　近5年來，中國科學院上海硅酸鹽研究所熱電材料與器件課題組在高效熱電材料和器件研究方面取得系列進展，獲得了一系列具有自主知識產(chǎn)權(quán)的研究成果，為熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)的應用奠定了扎實的基礎(chǔ)。

　　在熱電材料研究方面，提出利用離子導體兩套天然亞晶格點陣調(diào)控熱電輸運的研究思想，發(fā)現(xiàn)液態(tài)亞點陣的“橫波阻尼效應”可使材料定容熱容低于杜隆-珀替值，提出并發(fā)現(xiàn)系列“聲子液體”新概念熱電材料，其熱電優(yōu)值ZT達1.5-2.1；發(fā)現(xiàn)特殊籠狀結(jié)構(gòu)材料中多種填充原子共存可顯著降低晶格熱導率的寬頻聲子散射效應，熱電優(yōu)值ZT提高至1.7；發(fā)展利用高通量理論計算結(jié)合實驗研究快速發(fā)現(xiàn)和設(shè)計高性能熱電材料的研究方法，提出贗立方結(jié)構(gòu)設(shè)計思想快速篩選非立方結(jié)構(gòu)高性能熱電材料，并成功應用于Zintl相和類金剛石結(jié)構(gòu)熱電材料的篩選和優(yōu)化。

　　在熱電器件研究方面，成功開發(fā)出兩類熱電發(fā)電模塊。一是針對200^oC-300^oC低溫熱源的Bi₂Te₃基熱電發(fā)電模塊，能量轉(zhuǎn)換效率達6%、發(fā)電功率密度達0.35W/cm²。二是針對500 ^oC -600 ^oC中溫熱源的CoSb₃基方鈷礦熱電發(fā)電模塊，能量轉(zhuǎn)換效率達8.2％、發(fā)電功率密度約1.1 W/cm²。基于該Bi₂Te₃和方鈷礦的熱電發(fā)電模塊，自主設(shè)計開發(fā)了雙級熱電發(fā)電器件，轉(zhuǎn)換效率達10.4%。此外，還研制中高溫半赫斯勒合金（600 ^oC -700 ^oC）和SiGe合金（700 ^oC -1000 ^oC）熱電發(fā)電器件，轉(zhuǎn)換效率分別達6.2%和7%。上海硅酸鹽所在2016年國際熱電大會上成功展示了這些高效熱電器件，吸引了國內(nèi)外多家公司的關(guān)注，目前正進行市場應用的洽談和推廣。

　　上述相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表于Nature Materials (2012)、Journal of the American Chemical Society（2011）、Advanced Materials（2013、2014、2015）等期刊；并受邀請在Nature Materials（2016）期刊介紹熱電材料與器件在中國的快速發(fā)展和重要進展、在International Materials Reviews 期刊綜述近10余年來熱電材料研究領(lǐng)域的重大發(fā)展、在Energy Storage Materials 期刊綜述Cu基熱電材料的研究進展、在Advanced Engineering Materials 期刊綜述熱電發(fā)電器件的重要研究進展。

　　研究工作得到了國家基礎(chǔ)研究“973”項目、國家自然科學基金、上海市科委、中科院等的資助和支持。

圖1. 熱電材料性能優(yōu)值（zT）隨年代的發(fā)展。

圖2. 方鈷礦基籠狀化合物熱電發(fā)電器件。