日前，南方科技大学物理系讲席教授何佳清团队在国际顶尖学术期刊《科学》发表了SnSe热电材料和器件重要成果研究论文。他们的研究颠覆了以往研究中的传统认知，表明了SnSe晶体材料具有可同时作为温差发电和通电制冷材料的巨大潜力。
研究表明，目前全球产生的能量超过60%以废热的形式被浪费。在此背景下，热电转换，即热能与电能相互转换技术已被作为一条解决环境和能源问题的新途径。热电转换技术是一项基于半导体材料的新能源技术。该项技术能够实现温差生电和通电制冷的效果，分别在工业废热回收利用和电子制冷领域有着重要的应用。相比于传统能源转换技术，热电转换技术由于其器件具有尺寸高度可控、可靠性高、无运动部件、无污染和无噪音等优势，在航空航天和集成电路等关键领域具有不可替代的重要价值，例如：用于航天深空探测中的放射性同位素温差发电电源和用于集成电路领域的微型电子器件散热制冷和精确温控等。
热电材料性能指标的关键在于能源转换效率，由材料的无量纲热电性能优值(ZT值)决定。然而，决定ZT值的各个热电参数相互之间具有强烈的耦合关系，这使得热电材料的性能优化极具挑战性，调控这些强烈耦合的复杂热电参数是提高材料ZT值和热电转换效率的关键。随着热电材料领域的研究越来越受重视，不断涌现出了诸多提升ZT值的有效策略。
南科大何佳清团队的研究通过在动量空间和能量空间同时作用的多价带协同传输策略，实现了P型SnSe晶体热电性能的显著提升;并搭建了基于SnSe晶体材料的热电器件，在器件中不但实现了温差发电，还实现了大温差的电子制冷。这一研究表明了SnSe晶体材料作为温差发电和电子制冷材料的巨大潜力，且具备成本低、储量丰富和重量小等优势。实验证明，在210度左右的温差下，基于P型SnSe晶体的热电器件能够实现约4.4%的热电转换效率，这一数值与同一温差下商业化应用的碲化铋(Bi2Te3)基热电器件相当;基于P型SnSe晶体的热电器件能够实现约45.7度的最大制冷温差，这一数值可以达到商用碲化铋器件的70%。但相比于Bi2Te3材料，SnSe的成本降低了约54%，重量减少了约21%，且具有较好的可加工性。
该研究首次尝试了基于SnSe晶体热电材料的多对热电器件的装配与性能表征，结果表明其拥有良好的温差发电效率和通电制冷性能。同时，SnSe材料相比于传统碲化铋材料，具有成本低、储量丰富和重量小等优势，具有强大的商用器件替代性和实际应用价值，尤其是对于包含5G芯片在内的微型电子器件以及未来通讯器件等领域，其有望实现很好的电子制冷和温度控制效果，从而带来更高的社会价值和经济效益。
该研究主要由南方科技大学物理系和北京航空航天大学材料学院共同完成，清华大学和武汉理工大学作为参与单位。何佳清和北京航空航天大学教授赵立东为该论文的共同通讯作者。(记者 吴吉 通讯员 孙艺琛)
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