[发明专利]一种硼、铝双掺的硅锗基热电材料及其制备方法

说明书

本发明公开了一种硼、铝双掺的硅锗基热电材料及其制备方法。一种硼、铝双掺的硅锗基热电材料的制备方法，包括如下步骤：(1)在惰性气氛保护下，将原材料加入混合容器中，使原材料混合均匀，得到混合均匀的前驱粉体；(2)将上述(1)中的前驱粉体装入可上下施加压力的模具中进行预压实；(3)将装有前驱粉体的模具转移到反应容器中，进行反应，冷却后，得到硼、铝双掺的硅锗基热电材料。本发明通过特定含量的硼与铝双掺杂，并结合特定合成工艺，综合提升硅锗基热电材料的性能，本发明制备的硅锗基热电材料，易于实现工业化制备，且在更低温度时，能实现更高的ZT值，可大幅提升其热电转化效率及获得更广阔的应用。

技术领域

本发明涉及绿色环保型热电转换材料技术领域，尤其涉及一种硼、铝双掺的硅锗基热电材料及其制备方法。

背景技术

随着人类社会的快速发展，人口迅速增加，人类的整体生活水平也迅速提高，从而导致对于能源的需求与日俱增。有限的化石能源却日益减少，难以满足人类社会长期可持续发展的要求，这就迫使人们探索开发新型可再生能源，诸如太阳能、风能、核能、生物质能等。除了开发新型能源，另外一种解决能源危机的途径就是提高能量的利用效率，在传统的能源消耗中，超过60％的能源没有得到有效利用，而是以废热的形式流失。因此，关于废热再利用的研究，对提高能源利用效率、减少对化石燃料的依赖以及降低环境污染具有重要意义。

谈及热电转化，最为重要的是转换效率，而转换效率是由热电优值(ZT)决定的，ZT＝S²σT/k，S是赛贝克系数，σ是电导率，k是热导率。三个重要参数相互耦合，调节起来具有一定难度。

硅锗热电材料传统意义上属于中高温热电材料，在上世纪50年代开始研究。硅锗基材料在热电领域有着无可替代的优势，主要有以下几点：(1)硅元素在地壳中含量丰富，占总地壳质量的26.4％，仅次于氧元素；(2)无毒无污染，干净环保，(3)硅锗基器件与目前智能设备的兼容性更强；(4)作为一种古老的半导体材料，硅锗基材料的相关工艺已经相当成熟，一旦在领域内取得突破，将能很快实现产业化生产。目前的技术难题在于，硅锗合金是由单质硅和单质锗复合而成,这两种材料的功率因子都比较大,但是同时他们的热导率也比较高,因此ZT值较低。

近几十年来，众多围绕如何提升硅锗基热电材料ZT值的研究相继展开。如通过改变硅锗比例调节带隙宽度的方法、通过形成硅化物提供额外的声子散射中心，从而降低热导率的方法、低维化以及引入纳米级掺杂物的方法等等来提升硅锗基热电材料的ZT值，然而上述方法尚未取得理想的效果。此外，上述方法大多数成本过高，难以实现工业化制备，而且硅锗基热电材料往往在高温区域(800℃)以上才能显现出较高ZT值，这也限制了硅锗基热电材料的应用场合因此硅锗基热电材料一直没能得到广泛的普及应用。

综上所述，只有采取有效且易于实现的方法，解耦硅鍺基热电材料赛贝克系数、电导率与热导率之间的耦合关系，显著提升其ZT值，才能使硅锗基热电材料得到普及应用。此外，将硅鍺基热电材料的高性能区间从高温区域向低温区域迁移，使硅锗基热电材料在中低温区域获得理想的ZT值，必将大幅拓展硅锗基热电材料的应用范围和前景。

发明内容

本发明解决了现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提供一种硼、铝双掺的硅锗基热电材料及其制备方法，通过特定含量的硼与铝双掺杂，并结合特定合成工艺，综合提升硅锗基热电材料的性能，本发明制备的硅锗基热电材料，易于实现工业化制备，且在更低温度时，能实现更高的ZT值，可大幅提升其热电转化效率及获得更广阔的应用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种硼、铝双掺的硅锗基热电材料，其通式为Si₈₀Ge₂₀B_0.1～1Al_2～5。

优选地，所述的硼、铝双掺的硅锗基热电材料的密度为2.1～3.1g/cm³。

本发明还保护上述硼、铝双掺的硅锗基热电材料的制备方法，包括如下步骤：