方钴矿热电材料/电极的界面微结构及演化对器件输出的影响机制研究

Interfacial microstructure of thermoelectric/electrode plays an important role on the output of thermoelectric device. The joinging of skutterudite with electrode is one of the key issues for the application of CoSb3-based thermoelectric generator. Graphene will be introduced into the interface of skutterudite/ electrode through magnetron sputtering (MS) and chemical vapor deposition (CVD) in this project. One-step joining of skutterudite, electrode and interlayer can be obtained using rapid hot-press sintering on the basis of their thermal match. Optimization design of skutterudite/electrode can be achieved basing on the optimized electrical (thermal) contact resistance and bonding strength. Moreover, the effects of introduced graphene on the atom diffusion mechanism and interfacial microstructural evolution of skutterudite/ electrode will be studied. The dependent relationship between interfacial microstructural evolution (including electrical contact resistance and bonding) and output of thermoelectric generator can be established, which is helpful to develop the life prediction theory with a clear physical meaning for the joint of skutterudite/electrode of CoSb3-based thermoelectric generator. This project can lay a foundation for the application of skutterudite-based thermoelectric power generator, which is of great theoretical and practical significance.

热电材料/电极的界面微观结构对热电器件的输出特性具有极为重要的影响。方钴矿热电材料(CoSb3)作为最具有应用前景的中温热电发电材料之一，其高温端与电极的连接及界面优化设计一直是方钴矿热电发电器件应用的关键基础问题。本项目拟利用磁控溅射和化学气相沉积将石墨烯薄膜引入CoSb3/电极界面，在优化CoSb3和电极热匹配的基础上采用快速热压烧结实现CoSb3/电极的一步法连接，改善界面电（热）接触特性和界面结合强度，实现CoSb3/电极界面的优化设计；同时项目利用加速实验方法研究CoSb3热电材料/电极界面的原子扩散机制及微结构演变规律的影响，从而建立CoSb3/电极界面微结构演变与界面电（热）接触特性、连接强度及热电发电器件输出特性间的相互依赖关系，发展出具有明确物理意义的方钴矿/电极高温接头的寿命预测理论。本项目的开展将为方钴矿热电发电器件的制备应用奠定基础，具有重要的理论和实际意义。

能源问题日益成为制约全球经济发展的瓶颈，可再生的能量转换利用技术已经得到了全世界的极大重视。热电转换技术是利用热电材料的Seebeck效应将热能直接转换为电能。由热电材料制备的热电器件不仅可以有效的将太阳能中的红外光转化为电能，还可以在钢铁、电解铝、建筑材料、火力发电等高耗能产业上有效的实现废热回收利用，利用热电材料制备的同位素发电器更是深空探测器提供主要电源。填充或掺杂的方钴矿（CoSb3）热电材料被认为是最具有应用前景的中温热电发电材料之一，目前利用单原子填充、双原子填充、纳米复合等多种方法已经可以制备出多种高ZT值的方钴矿热电材料，其ZT已可稳定的达到1.0。然而对于实际的热电器件来讲，由于存在热电材料/电极的接触及界面层等原因，特别是界面层电阻和热阻的存在改变了实际热电材料两端的温差及电动势，因而其实际的转换效率往往大大低于理论值。因此热电器件的材料/电极界面工程是热电材料与器件领域的关键问题之一。本项目对方钴矿热电材料/合金电极的界面进行了优化设计，在方钴矿/电极界面中引入石墨烯层，利用一步法快速热压烧结方钴矿/电极元件，同时系统分析了加速实验条件下CoSb3热电材料/电极界面之间微结构演化、新相生长及原子扩散机制，特别是涉及CoSb3/合金电极界面电（热）接触评价以及CoSb3/电极界面电（热）接触性能变化与界面微结构演变相关性得到了业内同行的广泛认可，共发表英文论文37篇，SCI收录32篇，申请或授权发明专利14项，培养硕士研究生8名，博士研究生1名，其中“方钴矿热电材料/合金电极界面微结构演变机制及电热接触性能研究”获山东省高校科学技术奖二等奖，本项目为方钴矿热电发电器的制备尤其是同位素热电发电器的制备和应用奠定基础，同时对于国防应用和深空探测具有重要的理论和实际意义。