能源危机与环境问题是人类社会飞速发展、急速攀升之时，不可忽视的两大隐患。探索与研制新型高效的能源转换及储能材料，以科技之力解决人类可持续发展的困境已成为全球科研界的共识；开发新能源材料，优化能源转换效率，使其走出实验室，进入千家万户，也成了科研工作者不懈努力与追求的目标。

南方科技大学物理系何佳清教授团队在探索新型功能材料的科研道路上一路前行，不断突破瓶颈，在功能热电材料的结构、物理性能机理及其关联性研究领域上取得了重大的成果，实验室热电转化效率已经比市场上的转化效率高出一倍。

节能时代的“新星”：热电材料

热电材料是一种能够直接将电能和热能进行相互转换的新型功能材料。它能对自然界和日常生活中广泛存在但无法加以利用的热源（汽车尾气、工业废热、地热等）进行转换，供给人类日常生活及工业生产所需的电能。同时，热电器件还具有低环境污染，尺寸小、质量轻、无机械传动、工作无噪声、响应速度快、器件使用寿命长等优点。独特的能源转换特性及制备与使用方面的种种优势，使得热电材料引起了全球科研工作者们的广泛兴趣。

众所周知，风靡全球的太阳能光电材料，摩擦发电材料等，无不受限于转换效率偏低。提高能源转换效率，同样是热电材料亟待解决的问题。热电器件的能源转换效率:

其中，T_h、T_c分别为热端和冷端的温度，T_ave为平均温度，Z为热电材料的优值，单位为T^-1，通常将ZT视为整体，并定义为材料的无量纲热电优值。由此公式可见，高ZT值的热电材料组成的器件一定会有高的转换效率。计算表明，若热电材料的ZT值大于3，热电器件能获得媲美卡诺热机的转换效率，较为遗憾的是，目前国际上大多数体系的热电材料研究ZT值都尚未超过2，因此提高热电材料ZT值成为了热电材料研究的关键。

走进热电材料的“微观世界”

近年来，何佳清教授团队通过调控钾掺杂碲化铅-硫化铅基热电材料的载流子浓度、能带结构以及微结构，获得了较为优异的热电性能：在923 K时ZT峰值达到2.2，且具有极宽的ZT峰值温度平台，即ZT值约为1.56，对应的实验室热电转换效率高达20.7%（图1），相关工作发表在Nature Communications, 2014, 5, 4515。该材料在300-923 K温度范围内均呈现极低的晶格热导率，先进电子显微学研究发现如此低的晶格热导率来源于其非常复杂的微观结构：微米级碲/硫化铅晶粒、纳米级立方析出相、原子级层状结构、位错等，这些不同尺度的晶体缺陷可以有效地散射不同波段的声子，进而极大地降低晶格热导率。该材料拥有极大的应用潜力。

图1 热电品质因子ZT和能源转化效率 

小元素改变大“格局”，带来热电材料新突破

微结构和能带结构调控的另外一个成功的例子是在碲化锗(GeTe)体系。何佳清团队发现3 mol%的铋(Bi)掺杂可以调控Ge_1-xPb_xTe体系的微结构和能带结构而大幅提升其热电性能（ZT峰值为1.9）：功率因此得到大幅提升，且晶格热导率亦得到了有效地降低。何佳清团队深入分析发现Bi掺杂造成了Ge_0.87Pb_0.13Te的能带结构的改变的原因是Bi作为n型掺杂取代基体晶格中Ge的位置，可以降低GeTe布里渊空间中L位置附近的轻价带和处于Σ位置的重价带之间的带隙，从而提高载流子的整体有效质量和能级的有效简并度。何佳清教授提出了Bi降低(Ge, Pb)Te体系载流子浓度的新机制：Bi引入的“中性空位”增加了Pb的固溶度，从而减少了Ge的空位浓度，有效地降低了载流子浓度。这种加入一种掺杂剂导致另一种掺杂剂固溶度增加的现象非常罕见，此发现对相关材料领域具有重要的借鉴意义（图2），相关结果发表JACS上(JACS 2014, 136, 11412)。 

图2，从能带结构方面解释Bi掺杂引起的热电性能的大幅提高

攻坚克难让热电材料真正走进千家万户

在南科大，何佳清团队在不断大幅提升热电材料热电优值的同时，依托深圳市热电材料重点实验室以及南方科技大学皮米中心的先进科研条件，进一步探索热电材料优化的相关机理，本着将科研做细，把科学做透的原则，力求寻找到热电材料高效工作的本质，近几年来成果显著：在碲化铅-硫化铅的赝二相体系中，针对材料在高温的电学性能的饱和效应，做出了另辟蹊径但又非常合理的解释，认为被局限在晶界或者相界面的Na离子在高温(>600K)时发生向母体材料的扩散和重新固溶，从而引起针对载流子浓度的调制效应，有力的保证了PbTe-PbS赝二相在高温区的整体热电性能，相关工作发表在EES上（Energy & Environ. Sci. 2015，8，2056）； 解释了纳米结构对热电材料低热导率的影响原理，相关工作发表在Adv. Mater.上 (Adv. Mater. 2016, 28, 2737)；解释了极低热导率对多晶SnSe材料性能的影响，相关工作发表在Adv. Funct. Mater.上(Adv. Funct. Mater., 2016, 26, 6836)；探索了BiCuSeO材料中获得低热导率的方法，相关工作发表在Nano Energy上(Nano Energy, 2016, 27, 167); 发现了稀土掺杂的高性能硫化亚铜热电材料，相关工作发表在Adv. Energy Mater.上，(AEM, 2016, 6, 2016, 00607); 直接观测到了单晶SnSe中的非化学计量比缺陷， 相关工作发表在Nano Energy上(Nano Energy, 2017, 35, 321); n型材料是通过InSb的复合及实验条件的控制，有效地在PbTe基体材料中引入多相纳米结构，可同时优化该材料体系的热、电输运性能，一方面，纳米相和基体之间的能量势垒（势阱）可以通过能量过滤效应提高Seebeck系数，进而增强功率因子，另一方面，多重纳米相的引入增强了界面处的声子散射可降低晶格热导率，从而获得极高的热电优值，相关工作近期发表在Adv. Mater.（Adv. Mater. 2017, 1703148）与EES上（Energy & Environ. Sci.2017，10，2030）。

一代人有一代人的梦想，一代人也有一代人的努力。以热电材料为基础，推动人类社会生活方式向前迈出一步，这样的美好愿景时刻提醒着我们，研究工作仍需努力——因为热电，也许某一天，我们的冰箱不再含氟；因为热电，也许某一天，我们的用电不再伴随温室气体；因为热电，也许某一天，汽车尾气与工业废气都是人类获取能源的宝贝。未来需要展望，未来也需要一步一个脚印的努力。“现在我们的公司已经在龙岗落户，我们已经完成了初步设想。在接下来的规划里，实验室与工厂，科研与实业将会紧密联合，我们殷切希望，科学研究的成果将会真正惠及每个人的生活!”务实，是何佳清教授为整个团队打下的最深烙印。

                                          供稿：何佳清教授课题组

                                          编辑：刘春辰

                                          主图设计：刘春辰、丘妍