新型电子制冷材料

热电转换技术是一类基于半导体材料的新能源技术。因存在基于Seebeck效应的温差生电现象而被广泛关注。但是温差发电的逆效应可实现通电制冷却被关注的较少。电子制冷具有无噪声、无振动、不需制冷剂、体积小、重量轻等特点，且工作可靠，操作简便，易于进行冷量调节，可用于耗冷量小和占地空间小的场合，如电子设备和无线电通信设备中重要元件的冷却，这对于未来通讯、5G芯片的微型电子器件等科技自立自强、引领前沿领域的精确温控具有重要意义。

研发团队首次尝试了基于SnSe晶体材料的多对热电器件的装配与性能表征，结果表明其能够实现显著的温差发电效率和通电制冷性能。这一研究表明宽带隙SnSe晶体可作为电子制冷材料的巨大潜力。且SnSe材料具有成本低、储量丰富和重量小等优势，具有十分重要的应用价值。

技术描述

研发团队利用各向异性解耦热传输和电传输的矛盾，先后发现了SnSe的低晶格热导率源于强非谐振效应；利用SnSe多能带结构特点实现了多能带协同参与电传输；利用施主掺杂促进离域电子杂化；利用多能带的互动效应开发了高性价比的SnS热电材料；逐渐形成了在宽带隙半导体中寻找高效热电材料的研究思路，克服了窄带半导体的双极扩散引起的热电性能窄温域问题。近期研究发现，通过分别优化迁移率μ和有效质量m*可以不断提高材料的电传输性能（ PF = S2σ）。

本项目研究主要集中在如何协同优化迁移率μ和有效质量m*，将高效电传输特性移到室温附近，进而实现电子制冷。研发团队采用协同调控动量空间和能量空间的多价带传输策略，实现了P型SnSe晶体性能的大幅提升；并搭建了基于SnSe晶体材料的器件，不但实现了温差发电，还实现了大温差的电子制冷。通常认为能带间隙Eg 在 (6-10) kBT（其中kB为玻尔兹曼常数和T为开氏温度）范围内的材料为理想的制冷材料，但本工作表明能带间隙约为33 kBT的SnSe晶体材料也具有电子制冷的巨大潜力。基于P型SnSe晶体的热电器件能够实现ΔT约为45.7度的最大制冷温差，这一数值可以达到商用Bi2Te3器件的70%。但相比于Bi2Te3材料，SnSe的成本降低了——54%，重量减少了——21%。

技术状态

基于获得的高性能P型SnSe晶体样品，本项目进行了热电器件的搭建，并同时表征了所得器件的温差发电和通电制冷性能。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。