银锡硒材料高效发电的秘密：电子与晶格振动“分家”，并精准调控电子能级

本文报道了一种显著提升银锡硒（Ag8SnSe6）热电性能的新策略：在材料晶格间隙中引入少量额外银原子（即“间隙银掺杂”）。Ag8SnSe6本身是一种具有‘液态离子-晶体电子’特性的新型热电材料——其硒-锡骨架保持良好导电性，而银离子则像液体一样高度活跃，导致晶格热导率极低（室温下仅约0.15–0.20 W·m⁻¹·K⁻¹），接近木材水平。但原始材料电子载流子浓度偏低，导致发电能力（功率因子）不足。研究团队通过精确掺入间隙银原子，成功将费米能级上移至导带内，使材料从非简并半导体转变为简并半导体，电子浓度提高约100倍（达10¹⁸ cm⁻³），电导率和功率因子显著增强。与此同时，部分过量银还形成了微量的硫化银（Ag₂Se）第二相，引发晶格畸变和界面失配，进一步强烈散射热振动（声子），使晶格热导率进一步降至约0.1 W·m⁻¹·K⁻¹。尤为关键的是，电子平均自由程（约200纳米）比声子平均自由程（仅约0.22纳米）长近千倍，实现了电子与声子输运的‘解耦’——即电子能高效导电，而声子被严重阻碍导热。这种协同调控使材料在室温下热电优值ZT达0.72（此前同类材料室温ZT普遍低于0.1），735 K时峰值ZT达1.1，320–735 K平均ZT高达0.72。基于该优化材料研制的单对热电器件，在357 K温差下能量转换效率达6.3%，功率密度达0.6 W·cm⁻²，证实了其实际应用潜力。此外，间隙银掺杂还提升了材料硬度（提高约45%）和热稳定性，有利于器件长期可靠运行。本工作不仅为中温（约300–750 K）热电材料设计提供了清晰路径，也为工业余热高效回收等可持续能源技术提供了有前景的解决方案。