由窗口供电的透明热电纳米线材料的增强功率因数

大阪大学中村义明教授领导的研究团队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。通过在氧化锌薄膜中引入氧化锌纳米线，热电功率因数比没有氧化锌纳米线的氧化锌薄膜大三倍。

为了开发高性能热电材料，经常使用昂贵且有毒的重元素。然而，高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，中村和他的团队开发了一种由氧化锌组成的新型纳米结构薄膜(嵌入式氧化锌纳米线结构)，成本低，环保。在显影的薄膜中，热电功率因数通过选择性地传输高能电子通过具有有意控制的能垒的纳米线界面而增加，并且热导率通过纳米线界面处的声子散射而降低。

热电发电将热能转化为电能，作为一种新能源备受关注。室内外温度不同的玻璃窗有望作为热电发电的热源，需要具有高热电性能的透明热电材料。热电性能要求塞贝克系数高、电导率高、热导率低。但是，这三个参数是相互关联的，因此很难提高性能。到目前为止，通常采用价格昂贵且有毒的低热导率重元素材料来开发高性能热电材料，限制了热电发电的使用。另一方面，低成本和环保的轻元素基材料由于其通常高的热导率而表现出低热电性能。然而，据报道，纳米结构实现了热导率的显著降低，并且基于发光元件的材料可以是热电材料的候选材料。然而，还有另一个问题，即纳米结构不仅散射声子，还散射电子，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，包括表面可控的ZnO纳米线(嵌入式ZnO纳米线结构)，这在国际上尚属首次。嵌入氧化锌纳米线结构薄膜在可见光范围内具有高透光率，有望用作透明热电材料。在这种结构中，通过调制纳米线界面处的掺杂剂浓度来控制电子势垒高度，这由于高能电子的选择性传输和低能电子的散射而增加了塞贝克系数。高导电性也是预期的，因为氧化锌晶体外延形成在纳米线界面，导致高能电子的相对高的导电性。此外，

纳米线面密度大于4109cm-2的嵌入式ZnO纳米线结构显示出比没有纳米线的ZnO薄膜大三倍的热电功率因数。纳米线界面的透射电子显微镜观察证实在界面处掺杂剂浓度被调节。低温范围(300 K)的塞贝克系数和电导率的测量结果表明，由能垒高度控制的电子传输导致异常行为。此外，通过对实验数据的理论分析，发现能垒高度为几十兆电子伏。此外，由于纳米线界面的引入，声子散射增强，嵌入氧化锌纳米线结构的热导率比没有纳米线的氧化锌薄膜低20%。这些结果表明热电功率因数的提高和热导率的降低都是成功的。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，通过提高纳米线的面密度，可以大大降低嵌入式氧化锌纳米线结构的热导率。由这种结构的薄膜组成的热电器件有望实现，并且由于它们使用低成本和环境友好的氧化锌而被广泛使用。此外，“通过控制掺杂剂浓度来调节能垒高度”的概念不仅可以应用于ZnO，还可以应用于其他有前景的材料，这将加速各种高性能热电材料的发展。

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