热电是一种可实现热能与电能直接相互转化的全固态清洁能源技术，在主动制冷、精准热管理和废热回收等领域发挥关键作用。目前，作为唯一的商业化热电材料体系，碲化铋(Bi2Te3)材料及器件广泛应用于制冷和光电模块精准控温，以及近室温300 ℃下废热发电等领域。但碲化铋本身存在一些显著缺点，例如材料成本高，平均热电优值较低，商业化热电器件转换效率仅为6 %左右，都限制了这类材料的推广和更广泛应用。国际热电领域在近室温新型热电材料中发现了N型Mg3(Sb,Bi)2 和P型MgAgSb材料，其有着优异的宽温域热电性能和良好的机械加工性能，成为最有希望替代商业碲化铋的近室温热电材料体系，而针对这两种材料的性能提升和器件研发则成为热电领域的研究焦点之一。
最近，中国科学院物理研究所/北京凝聚态物理国家研究中心赵怀周研究员团队与合作者通过改进合成装备和工艺，克服了由于P性α-MgAgSb成相过程中极易形成银空位缺陷导致电学性能不佳的长期挑战，首次制备出具有整数计量比的α-MgAgSb材料，并通过近相变点退火，实现具有马赛克多晶特征的大晶粒生长，获得了载流子迁移率为93.3cm2 V-1s-1， 室温至300℃间平均zT达到1.4的高性能材料样品，为α-MgAgSb材料报道最高水平，同时也明显超越了对应的P型碲化铋材料。进一步通过与高性能N型Mg3(Sb,Bi)2材料搭配，构筑出具有7对热电臂的发电模块，最大热电转换效率达到12%，突破了我国“十三五”期间国家重点计划所制定的10%的既定目标，也是目前国际热电领域近室温热电转换效率最高记录。
上述工作受到了国家重点研发计划项目、国家自然科学基金项目和中国科学院的资助。物理所HM-02组赵怀周研究员、朱航天副研究员为论文的通讯作者，2019级张晓凡博士为第一作者。本系列工作先后发表于(Mater Today Phys 44, 101451 (2024))和(Joule 8, 1–12 (2024))。
参考连接：
[1] Joule，2024，8, 1–12：High-performance MgAgSb/Mg3(Sb,Bi)2-based thermoelectrics with η = 12% at T ≤ 583K: Joule (cell.com)
[2] Mater Today Phys 2024, 44, 101451：https://doi.org/10.1016/j.mtphys.2024.101451
图 α-MgAgSb及全镁基发电模块的热电性能。(a) α-MgAgSb热电性能优化策略示意图。(b) MgAg0.97Sb0.99、MgAgSb和退火后MgAgSb的室温功率因子PF和zT随载流子浓度的变化。(c)本工作中α-MgAgSb的zT值与文献结果对比(插图为本研究中制备的α-MgAgSb与不同来源的商业p型Bi2Te3之间的z值比较)。(d) 全镁基模块的转换效率与文献报道的单级模块比较。(c)中的紫色线和蓝色线分别代表由中国科学院上海硅酸盐研究所和北京师范大学提供的第三方测试结果。
