论文总字数：18662字

摘 要

Mohite型三元硫化物Cu₂SnS₃，已在光伏领域进行了深入的研究，最近作为一种优秀的p型环保型热电材料而备受关注。CTS(即Cu₂SnS₃)具有较低的晶格热导率和良好的电学性能，具有良好的声子玻璃电子晶体特性。但其电导率较低，制约了他作为热电材料的发展。NiCo₂S₄ 是尖晶石类晶体，具有较高的电导率。本文首先研究了CTS和NiCo₂S₄的制备及其各自的热电性能。然后采用不同的复合比例，制备了Cu₂SnS₃ -xNiCo₂S₄复合材料。最后，对实验制得的Cu₂SnS₃ -xNiCo₂S₄复合材料进行电输运性能及其热传导性能的测试，研究其经过复合后的热电性能是否有较为明显的提升。最终实验结果表明，经过复合后的材料，它的电导率与未复合的本征CTS相比有明显的增大，功率因子较未复合的CTS也有所提高，ZT值提高了10倍。且随着复合比例的提高，电导率与功率因子的增大更为明显，通过复合，成功提高了CTS的热电性能。

关键词：Cu₂SnS₃ NiCo₂S₄ Cu₂SnS₃ -xNiCo₂S₄复合材料 电导率 热电性能

Thermoelectric properties of Cu₂SnS₃-xNiCo₂S₄ composites

Abstract

Mohite-type ternary sulfide Cu₂SnS₃, which has been intensively studied in the photovoltaic field, has recently attracted much attention as an outstanding p-type eco-friendly thermoelectric material.CTS (ie, Cu2SnS3) has a lower lattic-e thermal conductivity and good electrical properties, and has good phononic electronic crystal characteristics.However, its low conductivity restricts his devel-opment as a thethermoelectric material.NiCo₂S₄ is a spinel crystal with high el-ectrical conductivity.This article first studied the preparation of CTS and NiCo-₂S₄ and their respective thermoelectric properties. Then Cu2SnS3-xNiCo2S4 co-mposites were prepared using different composite ratios. Finally, the properties of the composites were tested and the thermoelectric properties of the composit-es were studied. The results show that the electrical conductivity of the comp-osite material is obviously increased and the power factor is improved, ZT incr-eased by 10 times. With th-e increase of the composite ratio, the electrical co-nductivity and the power fac-tor increase more obviously. Through the compou-nding, the thermoelectric perf-ormance of the CTS is successfully improved.

Key Words: Cu₂SnS₃ NiCo₂S₄ Cu₂SnS₃ -xNiCo₂S₄ composites Conductivity Thermoelectric properties

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 III

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 热电材料的研究历程 1

1.3 热电材料的工作原理 2

1.3.1 Seebeck效应 2

1.3.2 珀尔帖效应 2

1.4 热电材料的性能指标及优化 3

1.4.1 性能指标 3

1.4.2 ZT值的优化 4

1.5 研究目的和内容 5

1.5.1 研究目的 6

1.5.2 研究内容 6

第二章 Cu₂SnS₃-xNiCo₂S₄复合材料的制备 7

2.1 引言 7

2.2 实验原料与仪器 7

2.2.1 实验原料 7

2.3 实验方法 8

2.3.1 固相法制备CTS 8

2.3.2 固相法制备NiCo₂S₄ 9

2.3.3 复合量的确定 11

2.3.3 机械合金法制备Cu₂SnS₃-xNiCo₂S₄复合材料 11

2.3.4 性能测试仪器及方法 11

第三章 Cu₂SnS₃-xNiCo₂S₄复合材料的性能研究 12

3.1 XRD分析 12

3.2 扫描电镜分析 14

3.3 电输运特性 15

3.3.1 电导率 15

3.3.2 塞贝克系数 16

3.3.3 功率因子 16

3.4 热传导特性 17

3.4.1 总热导率 17

3.4.2电子热导率 18

3.4.2晶格热导率 19

3.5 ZT值 19

第四章 结论与展望 21

4.1 结论 21

4.2 展望 21

参考文献 22

致谢 24

第一章 绪论

1.1 引言

由于三分之二以上的世界范围内使用的能源被浪费成向大气中释放热量，因此捕获这些尚未开发的大量余热来产生无排放的可再生能源具有巨大的经济和环境效益。在过去的几十年中，能够直接并可逆地将热量转化为电能的热电材料因此引起越来越多的关注。热电材料可以实现温差与电势差的直接转换，所以在冷却和发电应用领域有巨大的潜力。它具有体积小、重量轻、坚固耐用、无噪音、无污染、寿命长、易于控制等优点^[4]，得到了更多关注被广泛研究。美国太空任务中的放射性同位素热电发电机（RTG）是最知名的热电发电应用，对于汽车工业和我们的日常生活来说，预计未来会有更多的应用。其中，轻量化和无毒热电材料更具吸引力。

将这种有前途的发电技术推广到大规模应用的关键在于提高当前热电材料的低转换效率，这通过无量纲品质因数进行评估。一个好的热电材料应该具有通常存在于半导体中的大塞贝克系数（S），像金属一样具有高电导率（σ），同时与玻璃中一样具有较差的热导率（κ）。将所有这些功能整合到单一材料中是非常困难的。在实验中，为了改善ZT，可以通过合理的能带结构和微结构设计来增加分子的功率因数PF和/或降低分母导热率(κ)^[5]。

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