他，全球Top 100材料学家，今日重磅Science

电子能带收敛可以对热电性能产生有益的影响，但找到合适的能带收敛组合物仍然很耗时。

在此，美国休斯顿大学任志锋教授等人通过将母体化合物的晶体场分裂能的加权和归零，提出了一种在高熵YbxCa1-xMgyZn2-ySb2材料中设计一系列同时带收敛的成分的方法。研究发现，所设计的组合物具有更大的功率因数和更低的热导率，并且与其他p型Zintls相比，其中一种组合物表现出较大的热电品质因数，且本文的材料在热稳定性和时间稳定性方面都很高。然后，作者组装了一个全Zintl单级模块，无毒且不含碲，在475开尔文的温差下，该模块表现出超过10%的出色热电转换效率。

相关文章以“Global band convergence design for high-performance thermoelectric power generation in Zintls”为题发表在Science上。

热电发电是实现从热能到电能的直接能量转换，由于其快速响应、直接无排放和可回收的特性，已成为一种很有前途的替代能源。热电中的能量转换效率（η）主要由材料的热电品质因数（zT）决定，该参数中 S、ρ、κ 和 T 分别是材料的塞贝克系数、电阻率和热导率以及绝对温度。多年来，在各种热电材料上提出并实施了多种方法，包括通过抑制κ或提高功率因数。策略包括纳米结构、散射机制控制、载流子浓度调谐和能带工程等。调制电子能带的最新策略是诱导能带收敛，从而改善热电材料中的功率因数。

其中，Zintl材料和 AM2X2 Zintl 化合物，是一组通常依靠这种策略来调整其热电性能的化合物，这些固有的p型化合物可以通过轨道排列实现能带收敛。晶场分裂能本质上是顶部和第二价带之间的能量差，起源于沿 z 轴的阴离子p轨道的能量与沿固有收敛的 x 轴和 y 轴的轨道能量之间的偏移，对于原始化合物来说，这通常是非零（不对齐）。然而，晶场分裂能会随着成分的变化而变化，并且通过将两种适当的母体化合物合金化并调整它们的比例，在特定组合物中，分裂能最终可以达到零（对齐）。事实上，这个概念类似于在拓扑材料（如Pb）中诱导电子能带反转，并用作调谐合金电子带的方法。

尽管这种方法应该可以刺激能带收敛，但有几个缺点可能会阻碍其更好的功能：

（i） 确定轨道排列的位置仍然是一项繁琐的任务，因为在一组合金中只有一种特定成分满足要求；

（ii）实现能带收敛的努力仅限于将两种母体化合物合金化，从而限制了其潜在用途。

（iii）在通过通常实现的元素取代实现能带收敛后，进一步的热导率调节可能会阻碍对齐轨道并导致PF的降低。

鉴于这些挑战，本文提出了一种不同的方法，使用高熵的Zintl合金YbxCa1-xMgyZn2-ySb2作为案例研究，设计了一系列组合物，通过这些组合物，所有组合物同时实现带收敛（Δ = 0）。使用这种方法，我们合成了一系列PFs远高于母体化合物的组合物，由此设计的材料的稳定性展现出优异的性能。同时，通过将p型Yb0.7Ca0.3Mg0.55Zn1.45Sb2与n型Mg3+dY0.02Sb1.5Bi0.5材料配对组装了一个热电模块，表现出优越的设备性能。此外，本文的模块不包含任何有毒元素或Te，是下一代余热回收和热电发电的潜在解决方案。

图1. p型Yb0.7Ca0.3Mg0.55Zn1.45Sb2Zintl材料的高热电性能。

图2. YbxCa1-x-δNaδMgyZn2-ySb2合金的热电性能

图3：电子频带收敛的性能指标。

图4：Yb0.7Ca0.3Mg0.55Zn1.45Sb2的热稳定性和时间稳定性。

图5：Yb0.7Ca0.3Mg0.55Zn1.45Sb2/Mg3.08Y0.02Sb1.5Bi0.5热电模块的热电转换性能。

综上所述，本文提出了以YbxCa1-xMgyZn2-ySb2高熵合金为例，得益于它们的能带收敛状态，所设计的组合物表现出比其母体化合物大得多的PF，还展示了该材料非凡的稳定性，使其对商业应用具有吸引力。最后，通过配对不同 Zintl，成功制造了一个热电模块以验证器件级强大的热电性能，其无毒、结构可靠和无 Te 特性应使设计的材料和组装的全Zintl 模块成为下一代余热回收和热电发电的绝佳选择。

Xin Shi†, Shaowei Song†, Guanhui Gao, Zhifeng Ren*, Global band convergence design for high-performance thermoelectric power generation in Zintls. (2024).