热电技术通过实现热能与电能之间的直接转换来进行能量发电或快速制冷，为低碳和清洁能源技术的新兴需求提供了一种替代解决方案。推进热电技术的关键挑战在于实现高能量转换效率，这主要受热电材料的性能影响，用无量纲优值（ZT）来表示。热传输和电传输之间固有的矛盾给提高整体ZT值带来了相当大的挑战。为了分离这种复杂的传输，研究人员提出了各种优化策略，包括载流子浓度和迁移率优化、能带结构工程、全尺度缺陷工程以及晶格平面化等。因此，在各种热电系统中ZT值都取得了显著提升。
对于Bi2Te3和PbTe等先进热电材料中存在的稀有和有毒元素的担忧，使部分研究兴趣转向开发使用储量丰富、低成本、无毒元素的高性能热电材料。SnSe作为一种重要的热电材料得到了开发，符合这些目标。p型和n型SnSe都展现出了卓越的热电性能，这源于其强烈的非简谐性、多带结构以及独特的三维电荷和二维声子传输特性。SnS作为SnSe的类似物，展现出更高的地球丰度和更低的成本，使其成为构建高效热电模块的有前景的候选材料。特别是，Sn和S的原料储量远远高于其他常见热电材料组成元素的储量。此外，基于PbS、Cu₂S、Cu-Sn-S以及Cu-Fe-S的硫化物化合物也得到了很好的开发。最初，由于其较差的电学性能，SnS在其多晶形态下展现出极为低劣的热电性能，而且其较大的带隙（约1.2 eV）使其难以掺杂到合适的载流子浓度。单晶生长提供了一种有效的方法来增强电学性能，因为其具有高平面内载流子迁移率。随后，在p型SnS晶体方面取得了重大进展，通过有效的空穴掺杂以及多个价带之间增强的相互作用，进一步阐明了SnS的巨大潜力。复杂的电子能带结构在SnS中实现卓越的热电性能方面发挥着重要作用。SnS中存在多个价带最大值（VBM），它们的能量偏移（ΔE）很小。
2025年1月9日，北航赵立东教授课题组在国际顶级期刊 Science 上以“ Quadruple-Band Synglisis Enables High Thermoelectric Efficiency in Earth-Abundant Tin Sulfide Crystals ” 为题发表论文，报道了在高储量、低成本、宽带隙热电材料及器件研究领域取得的最新进展。第一作者为博士生刘姗，卓越师资博士后秦炳超、常诚教授、赵立东教授为通讯作者。这是赵立东教授2014年入职北航以来，第12次发表Science和Nature正刊。该工作在硫化锡（SnS）晶体中发现和调控了四个价带在能量和动量空间的协同效应（Quadruple-Band Synglisis），在P型SnS晶体中实现了~48K的制冷温差及~6.5%的发电效率。通常认为能带间隙在Eg≈6-10 kBT（kB为玻尔兹曼常数）范围内的材料为理想的制冷材料（Goldsmid, et al. Thermoelectric Refrigeration，Springer, 1964.），该工作表明带隙Eg宽达46 kBT的SnS也可作为热电制冷材料。
原文链接
https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado1133
来源：北京航空航天大学
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