突破热电材料性能瓶颈！我国团队实现 SnSe 宽温域高效能量转换

2025 年 12 月 19 日，《Science》杂志重磅刊发一项热电能源材料领域的突破性成果 —— 北京航空航天大学团队牵头、太原科技大学团队参与的研究，通过扩展硒化锡（SnSe）Cmcm 相的温度稳定范围，实现了 ZT 值约 3.0 的宽温域优异热电性能，其搭建的 N 型 SnSe 单臂热电器件在 572K 温差下发电效率达 19.1%，为仪器设备领域的能量回收与热管理技术升级提供了核心材料支撑。

热电材料的 “平衡难题”

能源利用效率是制约工业生产与高端装备发展的关键瓶颈 —— 据统计，人类社会使用的能量中超过 50% 以废热形式流失，从工业锅炉尾气到集成电路运行散热，这些未被利用的热能既是能源浪费，也可能引发设备过热、寿命缩短等问题。热电技术凭借 “热能 - 电能直接转换” 的独特优势，既能通过塞贝克效应实现温差发电，又能借助珀尔帖效应完成热电制冷，在深空探测电源、芯片热管理、工业废热回收等仪器设备场景中具有不可替代的价值。

然而，热电材料的转换效率由无量纲热电优值 ZT=(S²σ/κ) T 决定，其核心矛盾在于三大关键参数的 “耦合制约”：要获得大温差电压需提升塞贝克系数 S，要减少焦耳热损耗需提高电导率 σ，而要维持有效温差则需降低热导率 κ—— 这三个参数相互影响，长期以来难以同时优化，成为限制热电技术规模化应用的核心障碍。

Cmcm 相 SnSe 的 “2D 声子 / 3D 电荷” 协同优势

SnSe 的层状低对称晶体结构为解耦上述参数提供了突破口。此前研究多聚焦于低温稳定的 Pnma 相（<800K），而具有更高对称性的 Cmcm 相（>800K）因温度稳定范围窄，其热电潜力始终未被开发，且 N 型 SnSe 晶体面外方向的热电器件研究长期处于空白。

本研究精准瞄准这一空白，提出了 “高对称相固溶调控” 策略：通过大比例固溶立方相 PbSe，不仅将 Cmcm 相的温度稳定范围拓宽至 673~923K（覆盖中高温废热区间），更实现了 “2D 声子 / 3D 电荷” 的协同传输优化：

晶格对称性提升降低了晶体形变势，在显著增大态密度有效质量（md*）和载流子浓度（nH）的同时，优化了载流子迁移率（μH），让电荷以 “3D 传输” 模式高效迁移，解决了电导率与塞贝克系数的制衡难题；

Pb 元素的引入带来晶格应力并软化键合作用，大幅降低晶格热导率，同时增强 “2D 声子” 散射，有效维持了材料内部的温差梯度。

双重优化下，该材料在 673~923K 宽温域内平均 ZT 值达到 3.0，成为目前中高温区间热电性能最优的材料之一，而基于 N 型 SnSe 晶体搭建的热电器件，更实现了 19.1% 的发电效率，远超现有同类器件水平。

仪器设备行业的 “材料革新红利”

该成果不仅填补了 N 型 Cmcm 相 SnSe 热电研究的空白，更将为仪器设备行业带来多维度技术升级：

工业废热回收设备：宽温域适配性使其能匹配工业生产中 600~900K 的典型废热温度（如钢铁、化工行业尾气），可集成于废热回收模块，实现 “余热 - 电能” 的高效转换，降低设备能耗；

高端电子设备热管理：N 型 SnSe 的面外方向热电性能突破，为集成电路、功率器件的散热提供了新路径 —— 既可通过热电制冷精准控制芯片温度，又能将散热转化为电能回收利用，提升设备能效；

极端环境电源系统：在深空探测、极地科考等极端场景中，该材料的宽温域稳定性与高转换效率，可替代传统放射性同位素电源或太阳能电池，为探测仪器提供持续、可靠的能量供应。

此外，研究提出的 “高对称相扩展 + 晶格调控” 策略，为其他低对称热电材料的性能优化提供了通用范式，有望推动热电材料向 “宽温域、高 ZT 值、易规模化制备” 方向发展，降低热电模块的生产成本，加速其在仪器设备领域的商业化应用。

这项研究，不仅实现了 SnSe 热电材料的性能飞跃，更搭建了 “基础研究 - 材料制备 - 器件应用” 的完整技术链条。