N-BI2-XSBXTE3：室温付近の主流の熱電材料N-BI2TE3-XSEEXの有望な代替

何十年もの間、V2VI3化合物、特にP型Bi2-XSBXTE3およびN型Bi2Te3-XSEXは、室温近くの市販の熱電固体冷却と発電の礎石のままでした。ただし、V2VI3熱電気学の長年の問題は、N型Bi2Te3-XSEExが室温に近いP型Bi2-Xsbxte3よりもパフォーマンスが劣り、デバイスの効率を制限することです。この作業では、主流のN型Bi2te3-XSEXを置き換えるために、優れたP型熱電気を作るだけであると考えられている組成物である高性能N型Bi2-XSBXTE3を開発しました。成功は、次のメカニズムの相乗効果から生じます。（i）bi2te3で過剰な伝導電子を生成するドナーのような効果は、Sb合金によって調節されるアンチサイト欠陥によって補償されます。（ii）伝導帯の縮退は、Bi2te3の場合は2からBi2te3-XSEExがBi2-Xsbxte3の6に増加し、高いSeebeck係数を支持します。（iii）より大きな質量変動でありながら、電気陰性度の差が小さく、BIとSBの間の原子半径の差は、格子熱伝導率を効果的に抑制し、まともなキャリアの移動度を保持します。室温近くの1.0の最先端のZTは、高温の変形Bi1.5SB0.5TE3で達成されました。これは、市販のBI2TE3-XSEXインゴットや人気のMG3SB2を含む、ほとんどの既知のN型熱電材料のものよりも高くなっています。技術的には、同様の化学組成物を使用して熱電モジュールのN-LEGとP-LEGの両方を構築することは、機械的強度とデバイスの耐久性に重要な利点があります。これらの結果は、室温に近い主流N型Bi2Te3-XSEExの置換としてのN型Bi2-Xsbxte3の約束を証明しました。

For decades, the V2VI3 compounds, specifically p-type Bi2-xSbxTe3 and n-type Bi2Te3-xSex, have remained the cornerstone of commercial thermoelectric solid-state cooling and power generation near room temperature. However, a long-standing problem in V2VI3 thermoelectrics is that n-type Bi2Te3-xSex is inferior in performance to p-type Bi2-xSbxTe3 near room temperature, restricting the device efficiency. In this work, we developed high-performance n-type Bi2-xSbxTe3, a composition long thought to only make good p-type thermoelectrics, to replace the mainstream n-type Bi2Te3-xSex. The success arises from the synergy of the following mechanisms: (i) the donorlike effect, which produces excessive conduction electrons in Bi2Te3, is compensated by the antisite defects regulated by Sb alloying; (ii) the conduction band degeneracy increases from 2 for Bi2Te3 and Bi2Te3-xSex to 6 for Bi2-xSbxTe3, favoring high Seebeck coefficients; and (iii) the larger mass fluctuation yet smaller electronegativity difference and smaller atomic radius difference between Bi and Sb effectively suppresses the lattice thermal conductivity and retains decent carrier mobility. A state-of-the-art zT of 1.0 near room temperature was attained in hot deformed Bi1.5Sb0.5Te3, which is higher than those for most known n-type thermoelectric materials, including commercial Bi2Te3-xSex ingots and the popular Mg3Sb2. Technically, building both the n-leg and p-leg of a thermoelectric module using similar chemical compositions has key advantages in the mechanical strength and the durability of devices. These results attested to the promise of n-type Bi2-xSbxTe3 as a replacement of the mainstream n-type Bi2Te3-xSex near room temperature.