熱電轉換技術是一類基于半導體材料的新能源技術。因存在基于Seebeck效應的溫差生電現象而被廣泛關注。但是溫差發電的逆效應可實現通電制冷卻被關注的較少。電子制冷具有無噪聲、無振動、不需制冷劑、體積小、重量輕等特點，且工作可靠，操作簡便，易于進行冷量調節，可用于耗冷量小和占地空間小的場合，如電子設備和無線電通信設備中重要元件的冷卻，這對于未來通訊、5G芯片的微型電子器件等科技自立自強、引領前沿領域的精確溫控具有重要意義。

研發團隊首次嘗試了基于SnSe晶體材料的多對熱電器件的裝配與性能表征，結果表明其能夠實現顯著的溫差發電效率和通電制冷性能。這一研究表明寬帶隙SnSe晶體可作為電子制冷材料的巨大潛力。且SnSe材料具有成本低、儲量豐富和重量小等優勢，具有十分重要的應用價值。

技術描述

研發團隊利用各向異性解耦熱傳輸和電傳輸的矛盾，先后發現了SnSe的低晶格熱導率源于強非諧振效應；利用SnSe多能帶結構特點實現了多能帶協同參與電傳輸；利用施主摻雜促進離域電子雜化；利用多能帶的互動效應開發了高性價比的SnS熱電材料；逐漸形成了在寬帶隙半導體中尋找高效熱電材料的研究思路，克服了窄帶半導體的雙極擴散引起的熱電性能窄溫域問題。近期研究發現，通過分別優化遷移率μ和有效質量m*可以不斷提高材料的電傳輸性能（ PF = S2σ）。

本項目研究主要集中在如何協同優化遷移率μ和有效質量m*，將高效電傳輸特性移到室溫附近，進而實現電子制冷。研發團隊采用協同調控動量空間和能量空間的多價帶傳輸策略，實現了P型SnSe晶體性能的大幅提升；并搭建了基于SnSe晶體材料的器件，不但實現了溫差發電，還實現了大溫差的電子制冷。通常認為能帶間隙Eg 在 (6-10) kBT（其中kB為玻爾茲曼常數和T為開氏溫度）范圍內的材料為理想的制冷材料，但本工作表明能帶間隙約為33 kBT的SnSe晶體材料也具有電子制冷的巨大潛力。基于P型SnSe晶體的熱電器件能夠實現ΔT約為45.7度的最大制冷溫差，這一數值可以達到商用Bi2Te3器件的70%。但相比于Bi2Te3材料，SnSe的成本降低了——54%，重量減少了——21%。

技術狀態

基于獲得的高性能P型SnSe晶體樣品，本項目進行了熱電器件的搭建，并同時表征了所得器件的溫差發電和通電制冷性能。在210度左右的溫差下，基于P型SnSe晶體的熱電器件能夠實現約4.4%的熱電轉換效率，這一數值與同一溫差下商業化應用的碲化鉍（Bi2Te3）基熱電器件相當。