提高由窗口供电的透明热电纳米线材料的功率因数

大阪大学教授Yoshiaki Nakamura领导的研究小组成功开发了一种在降低热导率的同时提高热电功率因数的方法。通过在ZnO薄膜中引入ZnO纳米线，热电功率因数比没有ZnO纳米线的ZnO薄膜大3倍。

为了开发高性能的热电材料，经常使用昂贵且有毒的重元素；然而，高昂的成本和毒性限制了这种热电材料的社会应用。在这项研究中，Nakamura和他的团队开发了一种由低成本和环境友好的ZnO组成的新型纳米结构薄膜(嵌入式ZnO纳米线结构)。在所开发的薄膜中，通过有意识地控制能量势垒的纳米线界面选择性地传输高能电子来提高热电功率因数，并且通过纳米线界面处的声子散射来降低热导率。

热电发电将热能转化为电能，作为一种新能源备受关注。室内外温度不同的窗玻璃有望作为热电发电的热源，需要热电性能高的透明热电材料。热电性能要求高塞贝克系数、高电导率和低热导率。但是这三个参数是相互关联的，这就导致了性能提升的难度。迄今为止，高性能热电材料的开发往往采用导热系数低、价格昂贵且有毒的重元素材料，限制了热电发电的使用。另一方面，低成本和环境友好的基于轻元素的材料由于其通常高的热导率而表现出低的热电性能。然而，据报道，纳米结构实现了热导率的显著降低，基于轻元素的材料可以成为热电材料的候选材料。但是还有一个问题，就是纳米结构散射的不仅仅是声子，还有电子，导致热电功率因数降低。

中村和他的团队成功开发了低成本、环境友好的ZnO薄膜，包括表面控制的ZnO纳米线(嵌入式ZnO纳米线结构)，这在世界上还是第一次。在可见光范围内具有高透光率的嵌入式ZnO纳米线结构薄膜有望用作透明热电材料。在这种结构中，通过调节纳米线界面处的掺杂剂浓度来控制电子能量势垒高度，由于高能电子的选择性传输和低能电子的散射，这增加了Zeebek系数。由于ZnO晶体在纳米线界面处外延形成，导致高能电子具有相对较高的电导率，因此高电导率也是可以预期的。此外，

纳米线表面密度大于4109cm-2的嵌入式ZnO纳米线结构的热电功率因数是没有纳米线的ZnO薄膜的三倍。纳米线界面的透射电子显微镜观察证实了掺杂剂浓度在界面处被调节。低温范围(300 K)的Zeebek系数和电导率的测量结果表明，由能垒高度控制的电子输运导致了反常行为。另外，通过对实验数据的理论分析，发现能垒高度为数十兆电子伏。此外，由于纳米线界面的引入，声子散射增强，嵌入-ZnO纳米线结构的热导率比没有纳米线的ZnO薄膜低20%。这些结果显示了同时的成功：热电功率因数的增加和热导率的降低。光学测量表明，该结构在可见光范围内的透光率约为60%，相当于建筑物窗户的数值。未来，通过增加纳米线的表面密度，可以大大降低嵌入式ZnO纳米线的热导率。由这种结构的薄膜组成的热电器件有望实现，并因其低成本和环境友好的ZnO而得到广泛应用。此外，“通过控制掺杂浓度来调节能垒高度”的概念不仅适用于ZnO，也适用于其他有前途的材料，这将加速各种高性能热电材料的发展

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