哈工大材料学院隋解和教授团队开发出高强低阻阻挡层 破解碲化铋热电发电难题

哈工大全媒体（张又元 孙雨鑫 文/图）近日，哈工大材料学院隋解和教授团队在低品质余热回收热电发电领域取得突破性进展。相关成果以《基于低杨氏模量和颗粒滑动的阻挡层提高碲化铋热电发电性能》（Performance Boost for Bismuth Telluride Thermoelectric Generator via Barrier Layer Based on Low Young’s Modulus and Particle Sliding）为题发表在《自然通讯》（Nature Communications）上。该成果为碲化铋器件发电应用难题提供了解决方案。

热电器件可将热能直接转化为电能，具备无污染、无噪音、寿命长和免维护等诸多优点，在低品质余热回收方面具有广阔应用前景。高强低阻阻挡层是器件性能稳定可靠的关键。碲化铋热电材料具有优异的化学稳定性和热电性能，是目前使用热电转换技术进行低品质余热回收的最优选择。然而由于缺乏理想的阻挡层，碲化铋器件长期稳定工作最高温度不足200℃，应用受限。因此，迫切需要开发一种在200℃以上具有高强低阻特性的阻挡层。

团队打破传统热膨胀系数匹配的阻挡层设计规则，在碲化铋表面制备出高强低阻的多孔钛阻挡层。多孔钛的低杨氏模量和颗粒滑动变形机制可有效缓解界面应力，保证界面结构稳定；纳米界面反应层TiTe2保证了界面欧姆接触和冶金结合，确保界面实现高强低阻特性；经250℃、45天老化，界面结合强度与接触电阻无衰退。

该研究首次为自1950年发展起来的碲化铋提供了一个能够稳定服役超过200℃的阻挡层材料，基于该阻挡层制备的热电器件在热端250℃的条件下经360小时考核，输出性能无衰减。

哈工大为论文第一通讯单位，材料学院隋解和教授、郭逢凯博士为论文通讯作者。美国休斯顿大学任志锋教授为论文共同通讯作者。哈工大材料学院博士生孙雨鑫为论文第一作者。西北工业大学丰焱副教授，哈工大分析测试中心邹永纯工程师，材料学院李淳副教授、刘紫航教授、蔡伟教授，深圳校区张倩教授、博士生程谨轩，材料学院博士生董行严、硕士生吴昊，南方科技大学刘玮书教授参与论文相关研究工作。

该研究获国家自然科学基金重点项目和黑龙江省头雁团队项目支持。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-023-43879-8

多孔钛阻挡层应力释放机理示意图及热电器件输出性能