跨尺度界面设计助力实现高性能的可持续热电转换

《Nature Communications》：Scale-bridging interface design enables high-performance sustainable thermoelectrics

　　

摘要

提升能源效率并减少资源浪费的需求推动了可持续热电技术的发展，这类技术可用于利用低品位热能。然而，由于传输过程的多重关联以及多尺度优化问题，要实现高性能且耐用的系统仍然具有挑战性。在此，我们提出了一种基于界面设计的跨尺度策略，将宏观层面的结结构设计与微观层面的界面调控相结合。以n型Mg₃(Sb, Bi)₂作为研究体系，并通过对比分析器件级接触界面，我们将Mg₂Ni转化为n型Mg₃(Sb, Bi)₂中的跨尺度界面相：该相不仅能形成低电阻且热稳定性良好的外部结，还能作为内部界面修饰剂，减少晶界处的载流子散射并增强声子散射效应。这种跨尺度界面设计在300至723开尔文的温度范围内可实现平均zT值为1.5，并具备出色的热稳定性。通过将Mg₂Ni同时用作内部修饰剂和外部阻隔层，结合p型MgAgSb后，所构成的双对模块能够在相近温差条件下保持8.3%的稳定转换效率，这一性能优于常见的基于Bi₂Te₃的热电模块。本研究建立了一种将器件接触结构设计与内部界面调控相连接的跨尺度界面设计框架，为开发高效且耐用的热电能量转换装置提供了实用路径。