热电材料有望成为一种清洁能源,这推动了对能有效利用余热产生大量电能材料的研究。这项重大进展发表在《科学》上,为不对称热电性能找到了新的解释。不对称热电性能是指一种带正电荷的高效材料,其带负电荷的效率要低得多,反之亦然。休斯顿大学物理学m.d.安德森(m.d.
Anderson)讲座教授、德克萨斯超导中心(Texas Center
for超导)主任、该论文的通讯作者冯仁说:

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已经开发了一个模型,用来解释这两种配方在性能上之前未解决的差异。然后,将该模型应用于预测有希望利用发电厂和其他来源的余热发电的新材料。研究人员已经知道热电效率取决于两种形式材料的性能,即分别携带正电荷的“p型”和负电荷的“n型”。但大多数材料要么在两种配方中都不存在,要么一种比另一种更有效。

有望合成新材料

只使用p型或n型化合物就可以构建有效的热电设备,但设计同时包含这两种类型的设备要容易得多,当两种类型都表现出相似的性能时,性能最好。研究人员合成了一种预测的材料,锆钴铋化合物,并报告了在冷侧(约303开尔文,约86华氏度)和热侧(约983开尔文,约1310华氏度)下,p型和n型的热电转换效率分别为10.6%。该研究报告的第一作者、密歇根大学博士后毛军表示:某些材料的不对称性能与电荷在两种配方中的移动速度不同有关。

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买球网站,如果p型电池正电荷和n型电池负电荷的移动情况相似,那么这两种电池的热电性能也相似。知道了这一点,就能够利用迁移率来预测以前未研究过的配方性能。当一种材料的热电性能已经被实验研究过,而另一种材料还没有被研究过,就有可能通过确定不对称性和加权迁移率之间的关系来预测ZT。ZT,或价值指数,是用来确定热电材料将热转化为电的效率的一个度量标准。

新模型预测出高效材料

哈佛大学博士后研究员、该报告的另一位第一作者朱航天表示,下一步是确定一旦找到一种高效的p型或n型材料,如何形成相应的材料类型。这可能需要实验来确定最佳掺杂剂(研究人员通过在化合物中添加少量额外的元素来调整性能,即所谓的“掺杂”)来提高性能。这就是对非对称性能的新理解,通过预测哪些化合物在这两种类型中都具有较高性能,鼓励研究人员继续寻找最佳组合,即使早期的努力没有成功。

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