[发明专利]Ag-In-Zn-Se四元热电半导体及其制备工艺

说明书

技术领域

本发明涉及热电半导体材料，是一种Ag-In-Zn-Se四元热电半导体及其制备工艺。

背景技术

热电半导体材料是一种通过载流子，包括电子或空穴的运动实现电能和热能直接相互转换的新型半导体功能材料。由热电材料制作的发电和制冷装置具有体积小、无污染、无噪音、无磨损、可靠性好、寿命长等优点。在民用领域中，潜在的应用范围：家用冰箱、冷柜、超导电子器件冷却及余热发电、废热利用供电以及边远地区小型供电装置等。

热电材料的综合性能由无量纲热电优值ZT描述，ZT=Tsa²/k，其中a是Seebeck系数、s是电导率、k是热导率、T是绝对温度。因此，热电材料的性能与温度有密切的关系。迄今为止，所发现的均质热电材料，其最高热电优值（ZT）只在某一个温度值下才取得最大值。目前，已被小范围应用的中温用热电发电材料主要是50年代开发的Pb-Te基和金属硅化物系列合金，前者其最大热电优值在1.5左右，但Pb对环境污染较大，对人体也有伤害。后者的热电性能较低，其热电优值一般在0.3左右，最大热电优值ZT≤0.6。在本征情况下AgInSe₂半导体其热电性能并不高，难以制作中温用热电器件。其主要原因是在这类材料中，载流子浓度不高，材料的电导率太低。但这类半导体内部具有固有的缺陷对。缺陷对由银空位形成的阴离子2V^-1_Ag和金属元素In占位在Ag位置形成反结构缺陷正离子In²⁺_Ag组成，且该阴阳离子间具有Coulomb引力平衡。但如果采用其它低价元素替换AgInSe₂中的Ag元素、降低Ag的含量，这会打破其Coulomb引力平衡，直接导致正离子In²⁺_Ag浓度的大幅增大，但这会降低材料的Seebeck系数。如果采用外加低价元素替换AgInSe₂中的In元素，这会增加带隙宽度，极大地降低载流子浓度和电导率。

发明内容

为克服上述的不足，本发明旨在向本领域提供一种Ag-In-Zn-Se四元热电半导体及其制备工艺，使其解决现有同类材料热电性能欠佳的技术问题。其目的是通过如下技术方案实现的。

一种Ag-In-Zn-Se四元热电半导体，该热电半导体是由金属元素Zn同时替换AgInSe₂中的Ag和In，形成Ag_1-xIn_1-xZn_2xSe₂化学式，然后采用粉末冶金法制备得到。其要点在于所述Ag-In-Zn-Se四元热电半导体中的Ag和In元素同时等摩尔量替换为Zn元素，所述Zn元素在所述Ag-In-Zn-Se四元半导体中的摩尔分数为0.0125～0.05。所述Ag-In-Zn-Se四元热电半导体的化学式为Ag_1-xIn_1-xZn_2xSe₂，其中0≤x≤0.1。替换元素的电负性对性能及结构有极大关联，Zn是多数低价金属元素中属于电负性较小的元素，因此与非金属元素Se的电负性差异较大，且形成化合物后价态稳定。因此采用Zn元素替换AgInSe₂中的Ag和In元素，可极大提高AgInSe₂半导体的热电性能。