導讀：

      當今，化石能源短缺和環境污染問題凸顯，能源的多元化和高效多級利用成為解決能源與環境問題的一個重要途徑。作為一種綠色能源技術和環保型制冷技術熱電轉換技術受到學術界和工業界的廣泛關注。熱電轉換技術是利用材料的塞貝克效應與帕爾貼效應將熱能和電能進行直接轉換的技術，包括熱電發電和熱電制冷。這種技術具有系統體積小、可靠性高、不排放污染物、適用溫度范圍廣等特點。熱電器件可以實現熱能和電能的直接轉換，在廢熱回收和固態制冷領域具有重要的研究價值，對熱電發電器件的能量轉換效率進行精確測量是評價熱電材料和器件性能的重要基礎。

      熱電轉換技術是一項基于半導體材料的新能源技術。基于材料的塞貝克效應和帕爾貼效應，該項技術能夠實現溫差發電和通電制冷的效果，其分別在工業廢熱回收利用和電子制冷領域有著重要的應用。相比于傳統能源轉換技術，熱電轉換技術具有器件尺寸高度可控、可靠性高、無運動部件、無污染和無噪音等優勢。熱電材料性能指標的關鍵在于能源轉換效率，其由材料的無量綱熱電性能優值（zT值）決定。隨著熱電材料領域的研究越來越受重視，不斷涌現出了諸多提升zT值的有效策略：優化載流子濃度以提高電導率；調整電子能帶結構、晶體結構、相結構等優化電傳輸性能；通過引入點缺陷、位錯、晶界、納米級沉淀物等進行多尺度分層架構設計以降低熱導率；探索和開發具有本征低熱導率特性的新材料體系；通過高通量及基于基因計算等預測潛在熱電材料等。

      類金剛石化合物是從單質Si及閃鋅礦半導體等金剛石結構物質衍生而來，具有金剛石結構的四面體結構。四元類金剛石材料Cu₂CdSnSe₄^[1]和Cu₂ZnSnSe₄^[2]等的熱電性能逐漸受到重視，其zT值在700K及850K分別達到了0.65及0.95。此后，多種類金剛石結構化合物的性能得到研究，許多體系的ZT值超過了1。近期，重慶大學周小元團隊與其合作者通過在Cu₃SbSe₄中加入CuAIS₂（1?6wt%）的方法提高了材料的電輸運性能、降低了晶格熱導率，同時材料的熱穩定性和力學性能也得到了提升，給熱電器件（TEG）的制作與應用帶來了益處，該工作以《High Thermoelectric Performance and Compatibility in Cu₃SbSe₄-CuAlS₂ Composites》為題，發表在能源與環境科學領域頂級期刊《Energy & Environmental Science》 (EES)上^[3]。

      實驗結果表明，Cu₃SbSe₄-CuAIS₂復合材料在300 - 723 K的溫度范圍內平均zT值為0.77，峰值可以達到1.8，均為已公開報道的最高值。

圖1. 300-723K溫度區間內Cu₃SbSe₄ and Cu₃SbSe₄-5 wt% CuAlS₂zT值與溫度的關系（a）、本工作與其他公開報道的銅基-類金剛石熱電材料的zT值比較（b）

      使用p型Cu₃SbSe₄-5% CuAlS₂制成的單腿器件，其熱電轉換效率達到了3.3%（ΔT=367K）。

圖2. p-type Cu₃SbSe₄-5% CuAlS₂單腿器件的轉換效率（a）及發電量（b）與溫度的關系

       值得注意的是，本文中單腿器件的轉換效率及發電量測量是在Advance Riko公司的小型熱電轉換效率測量系統Mini-PEM上進行的，Quantum Design中國做為日本Advance Riko, Inc.公司的合作伙伴，很榮幸高性能的小型熱電轉換效率測量系統Mini-PEM可以助力本研究的發表。

       日本Advance Riko公司已專業從事“熱”相關技術和設備的研究開發近60年，并一直走在相關領域的前端，為世界各地的科學研究及生產活動提供了諸如紅外加熱、熱分析/熱常數測量等系統。2018年初，Quantum Design 中國公司將日本Advance Riko公司先進的熱電材料測試設備：小型熱電轉換效率測量系統Mini-PEM、塞貝克系數/電阻測量系統ZEM、熱電轉換效率測量系統PEM及大氣環境下熱電材料性能評估系統F-PEM引進中國。

       2018年7月，Quantum Design中國與日本Advance Riko達成協議，作為其熱電材料測試設備在中國的代理商繼續合作，攜手將日本Advance Riko先進的熱電相關設備介紹到中國。

       目前，所有中國用戶購買的日本Advance Riko熱電產品，均由Quantum Design中國公司的工程師團隊負責安裝及售后服務。同時，Quantum Design 中國公司在日本Advance Riko公司的協助下，在北京建立部分熱電設備示范實驗室和用戶服務中心，更好的為中國熱電技術的發展提供設備支持和技術服務。

參考文獻：

[1] M. Liu et al., A wide-band-gap p-type thermoelectric material based on quaternary chalcogenides of Cu₂ZnSnQ₄ (Q=S, Se), Appl. Phys. Lett. 94, 202103 (2009)

[2] M. Liu et al., Improved Thermoelectric Properties of Cu-Doped Quaternary Chalcogenides of Cu₂CdSnSe₄, Advanced Materials, Volume21, Issue37

[3] Y. Huang et al., High thermoelectric performance and compatibility in Cu₃SbSe₄–CuAlS₂ composites, Energy Environ. Sci., 2023, Advance Article

相關產品：

     小型熱電轉換效率測量系統Mini-PEM