他，建组10年发9篇Science，北航赵立东教授再发Science！

热电冷却技术在智能电子产品中的精确温度控制等过程中具有重要的应用价值。目前使用的碲化铋（Bi₂Te₃）基冷却器受到Te的缺乏和非理想的冷却能力的限制。

在此，北京航空航天大学赵立东教授和张潇副研究员等人演示了如何通过网格设计策略去除晶格空位，将PbSe从一个有用的中温发电机转变为热电冷却器。在室温下，基于n型PbSe和p型SnSe的7对器件产生的最大冷却温差为~73开尔文，单腿发电效率接近11.2%，这一结果归因于每厘米每平方开尔文52微瓦特的功率因数，其通过提高载流子迁移率实现的。本文的演示为基于地球上丰富的无Te硒化物基化合物的热电冷却的商业应用提供了一条途径。

相关文章以“Grid-plainification enables medium-temperature PbSe thermoelectrics to cool better than Bi₂Te₃”为题发表在Science上。

热电技术可实现热向电的直接转换，可应用于深空探测（发电）、精确温度控制和电子热管理（热电冷却）。然而，热电技术的广泛应用仍然受到热电材料性能的限制，热电材料的性能由ZT = S²σT/k公式的无量纲图ZT决定，其中S、σ、T、k分别为塞贝克系数、电导率、绝对温度和热导率。实现发电或热电冷却的更高的转换效率需要更大的ZT值，这就需要在相互冲突的电和热输运特性之间进行权衡。

电子晶体声子玻璃概念已被用于探索发电的热电材料。热电性能通过策略的发展得到增强，包括操纵载流子传输和电子带结构来增强电传输，以及建立全尺度声子散射中心，以及寻找具有固有低导热系数的材料来抑制热传输。与热电发电相比，近年来，热电冷却技术作为解决各种智能电子元件的散热问题而受到越来越多的关注。ChatGPT等人工智能技术的发展，催生了对大功率计算的需求，而日益突出的散热问题阻碍了它的进一步发展。

热电冷却技术具有固相、尺寸可调、温度梯度降低、热压降低等独特优势；因此，它在解决散热问题方面具有相当大的潜力。目前，唯一的商业化热电冷却材料是Bi₂Te₃基合金，其冷却能力差、Te储量稀缺、加工能力差、功耗高等问题受到严重限制。在这方面，需要探索具有不同成分的热电冷却器作为碲化铋的有效替代品。在过去的几年中，p型SnSe晶体和n型Mg₃(Bi,Sb)₂合金已经被开发出来，具有良好的冷却性能；然而，热电冷却候选材料的种类仍然低于热电发电材料。因此，寻找更多和高效的热电冷却器是必要的，以提供更多的替代方案，并满足多种应用场景的可能需求。

硒化铅（PbSe）被认为是传统的碲化铅（PbTe）的一种有效的、无温度的替代中温发电。PbSe的热电性能已经通过各种努力得到了明显的优化，迄今为止，在n型PbSe中，使用高熵策略可以在900 K时获得峰值ZT为1.8。具体而言，网格纯化结合了刘等人描述的获得更清晰的晶格（包含更少缺陷的增强完整性），采用网格设计策略，通过精细设计材料的成分和制备工艺来精确操纵材料中的缺陷。通过引入额外的Cu作为供体掺杂剂，将PbSe转换为n型导通，生长了高质量的PbSe晶体，以提高载流子迁移率，通过引入少量额外的Pb来进一步提高载流子迁移率，以补偿固有的Pb空位并明确地固定PbSe晶格，从而大大削弱了载流子上的缺陷散射。电传输性能 （PF） 在很宽的温度范围内进行了优化，特别是在室温附近，最大 PF 值超过 52 μW cm^-1K^-2。PF值以及适度的固有热导率促进了整个温度范围内的超高ZT值（图1B），在623 K时，获得了室温ZT~0.9和~1.8的峰值，在这种温度下是相对较高的值，特别是与目前报道的n型PbSe热电相比。总体ZT值的高范围对发电性能贡献很大，在温差DT为420 K时，最大转换效率接近~11.2%。

图1. 通过调控组合的网格化策略

图2. 添加0.08 mol % Cu的n型Pb_1+xSe晶体的载流子传输性能

图3. 对添加0.08 mol % Cu的PbSe和Pb_1.004Se晶体的微观结构表征

图4. 添加0.08 mol % Cu的n型Pb_1+xSe晶体的声子传输、ZT和发电性能

综上所述，本文基于网格纯化策略，开发了高效的n型PbSe晶体热电材料用于冷却。在添加0.08 mol % Cu的Pb_1+xSe晶体中，自补偿Pb通过占据固有的Pb空位，大大降低了缺陷浓度，从而促进载流子传输，导致在大温度范围内，特别是在环境温度附近的超高载流子迁移率和功率因子值。结合剩余的中等低声子传输，ZT值从300 K的~0.9到623 K的~1.8。广泛的热电性能有利于整体发电性能，在420 K时实现转换效率11.2%。此外，Pb_1+xSe晶体的室温性能使其成为很有前途的无Te热电冷却的候选者。通过将n型Pb_1+xSe与之前开发的p型SnSe晶体耦合，构建了一个7对基于硒化物的热电冷却装置。该装置具有较高的冷却能力，在环境温度下的DT_max为~73 K，理论上的最大COP为10。本文展示了网格纯化策略在开发更好的热电冷却器方面的有效性，以及开发的基于硒化物的高性能材料和器件在热电冷却方面的潜在应用。

Yongxin Qin†, Bingchao Qin†, Tao Hong, Xiao Zhang*, Dongyang Wang, Dongrui Liu, Zi-Yuan Wang, Lizhong Su, Sining Wang, Xiang Gao, Zhen-Hua Ge, Li-Dong Zhao*, Grid-plainification enables medium-temperature PbSe thermoelectrics to cool better than Bi₂Te₃, Science. (2024). 10.1126/science.adk9589