哈工大最新Science！突破热电发电器的瓶颈

近期，哈工大材料科学与工程学院蔡伟教授、隋解和教授、刘紫航教授团队在热电界面材料智能设计和高效器件研制领域取得了关键突破，实现了在300度温差下9.25%的热能到电能转化效率，有望提高能源利用效率，研究成果发表在《科学》（Science）上。

热电材料是一种能够实现热能与电能之间直接相互转换的功能材料，由其构成的热电器件具有结构简单、可靠性高、寿命长、无污染等优点，在固态制冷和同位素温差发电器领域已获得应用，在废热回收领域具有广阔的应用前景。

界面材料是构成热电器件不可或缺的重要组成部分，用来阻隔钎料与热电材料间的界面反应，从而维持器件在长期服役过程中的稳定性。当前界面材料的设计多通过高通量试验筛选过渡族金属元素，材料的选择空间有限，急需拓宽合金或化合物作为潜在的界面材料。然而合金与化合物种类庞大，无法通过试错法进行有效筛选。因此，如何高效地为热电材料筛选出高稳定性的界面材料是热电领域的重要课题。

图1 A：界面材料筛选流程图

图1 B：Mg-Ag-Cu-Sb四元相图

图1 C：室温电阻率与熔点二维图

从吉布斯自由能的角度看，由热电材料组成元素与金属形成的反应物与热电材料能够形成稳定的界面结构。因此，团队以多组元MgAgSb高性能低温热电材料为例，通过理论计算相图预测能与热电材料形成两相平衡的化合物，再结合化合物的室温电阻率和熔点作为判据，为MgAgSb筛选出界面材料MgCuSb，建立了热电界面材料高效筛选策略，并通过不同温区代表性热电材料的界面材料筛选证实了其普适性。MgCuSb/MgAgSb接头经553K退火16天仍保持稳定的界面结构和低的接触电阻率(<1μΩ cm-2)，MgAgSb/Mg3.2Bi1.5Sb0.5基热电器件在低温端293K，温差300K时转换效率高达9.25%，且器件性能可靠性得到美国和德国研究机构的第三方独立验证。

图2 A：所制备的热电器件照片

图2 B：器件转换效率对比

哈工大为论文唯一通讯单位。哈工大材料学院隋解和教授、刘紫航教授为论文共同通讯作者，哈工大材料学院博士生谢亮军和深圳校区博士生尹力、德国亚琛工业大学余愿博士为共同一作。哈工大材料学院博士生孙雨鑫、师文静、曲诺，硕士生吴昊，郭逢凯博士和蔡伟教授，深圳校区张倩教授，西安交通大学博士生彭古扬、武海军教授，美国休斯顿大学宋少伟博士、任志锋教授，德国莱布尼茨固体与材料研究所应聘君博士、科内利乌斯·尼尔施（Kornelius Nielsch）教授，美国西北大学蔡松婷博士参与了相关研究工作。

该研究得到了国家自然科学基金委重点项目、哈工大青年拔尖人才科研启动经费和黑龙江省头雁团队项目等资助。