热电能源材料研究领域取得新进展

人民网北京12月31日电 (记者赵竹青)据国家自然科学基金委员会网站消息，北京航空航天大学赵立东教授率领其团队，在热电能源材料研究领域取得新进展，太原科技大学宿力中教授团队参与此项工作。相关研究成果以“扩展硒化锡Cmcm相的温度区间实现优异热电性能”为题，于2025年12月19日发表于《Science》杂志上。

能源是人类社会赖以生存及社会发展的重要物质基础，然而在使用过程中约有超过50%的能量以废热的形式浪费掉，若能将这些热能回收并转成电能，将产生深远影响。热电技术可将热能和电能进行直接转换，可基于塞贝克效应实现温差发电，又可基于珀尔帖效应实现热电制冷，在深空探测电源、集成电路热管理等关键领域具有重要应用价值。热电材料的转换效率主要由其无量纲热电优值(ZT= (S2σ/κ) T)所决定。在给定温度T下，高效热电材料应具备：大塞贝克系数 S(以产生大的温差电压)、高电导率σ(以减少焦耳热损耗)以及低热导率κ(以维持大的温差)。然而，这些热电参数之间的复杂耦合关系限制了ZT值的提升。

硒化锡(SnSe)的层状低对称晶体结构为解耦热电参数间的复杂耦合关系提供了可能。SnSe在~800 K会经历由Pnma相到Cmcm相的相变，即~800 K为Cmcm相。此前的研究都聚焦于Pnma相SnSe晶体，然而其具有更高对称性的Cmcm相的热电性能的潜力仍未被开发，同时，基于N型SnSe晶体面外方向的热电器件研究仍为空白。该工作聚焦于高对称Cmcm相N型SnSe晶体，通过大比例固溶高对称相(立方相PbSe)拓宽了Cmcm相的温度稳定范围。同时，Cmcm相N型SnSe晶体的局域晶格对称性的提升，显著增强了其“2D声子/3D电荷”传输特性：(1)提升的晶格对称性有效降低了Cmcm相SnSe晶体的形变势，在态密度有效质量(md*)和载流子浓度(nH)显著增大的同时优化了载流子迁移率(μH)，促进了“3D电荷”传输；(2)Pb元素的引入在带来应力的同时软化了晶体中的键合作用，从而降低了晶格热导率，增强了“2D声子”散射。最终在673~923 K的温度范围内获得了优异的宽温域热电性能，该温域内平均ZT可达~3.0(ZTave~3.0)。此外，本工作搭建了基于N型SnSe晶体的热电器件并表现出卓越的热电转换效率，在572 K的温差下其单臂热电器件实现了 ~19.1%的发电效率。该工作揭示了N型SnSe晶体在温差发电领域的巨大潜力，也为优化其他低对称热电材料体系的热电性能提供了新的思路。