先进Bi2Te3/BiSbTe3分段热电面板用于屋顶可持续性与废热管理：一种集成DFT与有限元模拟的研究方法

《Next Materials》：Advanced Bi 2Te 3/BiSbTe 3 segmented thermoelectric panels for rooftop sustainability and exhaust heat management: An integrated DFT and finite element simulation approach

本研究针对热电发电机(TEG)在低温差下效率受限及单一器件输出电压不足的问题，通过集成密度泛函理论(DFT)与有限元模拟(FES)，系统研究了基于Bi2Te3和BiSbTe3的分段热电发电机(STEG)的性能优化。研究发现，75% Bi2Te3柱长的STEG在227 K温差下性能最优，热电电动势达0.101 V，电场强度为184 mV cm?1；进一步构建的10×10阵列可输出高达76.10 V电压。该研究为开发大规模、紧凑、耐用的STEG组件以提升能量转换效率提供了重要理论依据和设计蓝图，对推动绿色能源发展具有重要意义。

　　

在全球能源转型和可持续发展的宏大背景下，如何高效利用无处不在的热能，并将其转化为清洁电能，已成为科学界和工业界共同关注的焦点。热电发电机（TEG）作为一种固态能量转换装置，凭借其无运动部件、可靠性高、可直接将热能（温度差）转化为电能（Seebeck效应）等优势，在废热回收、物联网设备供电、可穿戴技术等领域展现出巨大潜力。特别是在建筑节能领域，将热电技术与太阳能光伏（PV）系统结合，构成混合PV-TEG架构，可以有效利用太阳辐射中的红外成分（热量），弥补光伏电池在光谱利用和热管理方面的不足，从而显著提升屋顶太阳能系统的整体能量产出和可持续性。然而，传统TEGs面临的核心挑战在于其能量转换效率严重依赖于温度梯度，在温差较小的应用场景下效率会急剧下降，且单个TEG模块产生的电压往往难以满足高功率需求。因此，开发能够在宽温区内保持高性能、且可扩展集成的热电材料与器件架构，是推动该技术走向大规模应用的关键。

为了应对上述挑战，发表在《Next Materials》上的这项研究，由来自印度贾达普大学化学工程系的Mousom Roy和Souvik Bhattacharjee完成，他们提出并深入探究了一种基于碲化铋（Bi₂Te₃）和碲化铋锑（BiSbTe₃）的先进分段热电发电机（STEG）面板，旨在同时服务于屋顶可持续性（与太阳能电池板集成）和工业/汽车排气等场景的废热管理。

研究人员为了系统回答如何优化STEG性能这一核心问题，采用了多尺度、跨学科的研究策略。整个研究主要依托两个关键的计算模拟技术：在原子尺度上，利用基于第一性原理的密度泛函理论（DFT）及其微扰理论（DFPT），深入探究了Bi₂Te₃和BiSbTe₃这两种基础热电材料的本征物理化学性质，包括电子结构、晶格振动（声子）、热力学参数和介电性能等，从根源上理解其热电潜能。在器件宏观尺度上，则采用了有限元模拟（FES）技术，通过COMSOL Multiphysics软件构建了STEG及其阵列的精确三维模型，模拟在不同温差（ΔT从27 K到227 K）和不同材料分段比例（腿比，x/L₀）下的热-电耦合传输行为，从而优化器件结构并预测其热电输出（如热电电动势、电场分布）。

3.1. 几何结构与晶体学细节

研究首先通过DFT计算优化了Bi₂Te₃和BiSbTe₃的晶体结构。Bi₂Te₃属于R^ˉ3m空间群，而BiSbTe₃属于R3m空间群。计算得到了它们精确的晶格参数，为后续性能计算奠定了基础。BiSbTe₃的晶胞体积略大于Bi₂Te₃，这与其化学成分变化相关。

3.2. 电子性质

能带结构计算揭示了两种材料独特的电子特性。Bi₂Te₃表现为带隙极窄（约0.035 eV）的间接带隙半导体，而BiSbTe₃则显示出半金属特性，能带轻微重叠，带隙近乎为零。这种电子结构预示着BiSbTe₃具有更高的本征电子电导率，有利于载流子传输。态密度（DOS）分析进一步证实了这一点。

3.3. 振动属性

声子色散谱计算表明，两种材料均无虚频存在，证明其晶格动力学是稳定的，这是材料能够实际应用的前提。声子态密度（PhDOS）中声学支和光学支之间没有明显的禁带，表明声子模式之间存在复杂的相互作用和可能的耦合。

3.4. 热力学评估

通过声子谱计算了材料的热力学性质随温度的变化，包括焓、自由能、熵、热容和德拜温度。关键发现是，通过分析德拜温度的演变趋势，推断出BiSbTe₃的热力学稳定性上限约为300 K，而Bi₂Te₃则能稳定到约700 K。这一发现直接指导了STEG的设计：将Bi₂Te₃置于高温端（热端），而BiSbTe₃置于低温端（冷端）。

3.5. 介电性质

计算了材料的复介电函数。研究发现，BiSbTe₃的静态介电常数（35.3）显著高于Bi₂Te₃（24.4），增加了约45%。较高的介电常数有利于屏蔽电荷，可能对某些电学性能产生积极影响。电子局域函数（ELF）分析显示了Te原子周围强烈的电子局域化（共价键特征），而Bi和Sb原子周围电子更离域，解释了介电常数差异的部分原因。

3.6. STEG的结构设计

基于DFT获得的关键材料特性（尤其是热稳定性差异），研究人员设计了STEG的几何模型。STEG由下至上包括氧化铝（Al₂O₃）陶瓷基底、铜基板、分段热电腿（Bi₂Te₃和BiSbTe₃串联）和铜电极。研究系统地改变了热电腿中Bi₂Te₃的长度占比（腿比x/L₀ = 0, 0.25, 0.5, 0.75, 1），并在不同的温差条件（ΔT = 27, 100, 227 K）下进行模拟。

3.7. 有限元模拟：热电电动势、电场和温度分布

FES模拟结果清晰地展示了STEG的性能规律。首先，热电电动势和内部电场均随温差的增大而显著提高。其次，对于给定的温差，热电输出并非随Bi₂Te₃占比增加而单调上升，而是存在一个最优值。模拟结果表明，当腿比为0.75（即75%的长度为Bi₂Te₃，25%为BiSbTe₃）时，STEG的综合性能最佳。在最大温差227 K下，最优结构的STEG能产生0.101 V的热电电动势和184 mV cm^?1的电场。温度分布图显示沿热电腿建立了均匀稳定的温度梯度，确保了热电效应的有效运行。

3.8. 阵列化STEG组件以实现增强输出

单个STEG的输出电压较低，难以满足实际应用。为此，研究提出了将单个STEG单元串联集成为n×n方阵的方案。模拟结果显示，阵列的输出电压随单元数量近似线性增加，展现出极佳的 scalability（可扩展性）。例如，一个10×10的STEG阵列，在同样最优腿比（0.75）和最大温差（227 K）下，能够产生高达76.10 V的电压，与单个单元的0.101 V相比，提升了超过750倍！这充分证明了该设计用于构建高输出电压、紧凑型热电面板的巨大潜力。

研究结论与意义

本研究通过DFT与FES相结合的 multiscale simulation（多尺度模拟）方法，成功地设计并优化了基于Bi₂Te₃/BiSbTe₃的分段热电发电机（STEG）。研究不仅从原子尺度深入揭示了两种候选材料优异热电性能的物理根源（如窄带隙/半金属特性、高介电常数、动态稳定性及其特定的热稳定区间），更在器件尺度上明确了最佳的材料组合比例（腿比0.75）和结构参数。尤为重要的是，研究提出了通过阵列化集成来大幅提升输出电压的可行方案，并通过模拟验证了其有效性。

该研究的结论具有重要的理论和实践意义：首先，它证实了分段设计和材料优化是突破传统TEG性能瓶颈的有效途径。其次，它为开发适用于不同温差场景（从温和的屋顶环境到高温工业废热）的高效、紧凑、可扩展的热电面板提供了详细的理论指导、性能预测和具体的（可通过光刻、蚀刻等技术实现的）设计蓝图。这项工作极大地推动了热电能量收集技术向实际应用迈进的步伐，为建筑节能、工业废热回收以及更广泛的可持续能源解决方案提供了新的技术路径，对加速绿色能源转型贡献了有价值的见解。