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分段式GeTe/BST-SKD热电模块实现宽温域高效废热回收 |
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工业废热、深空核热源、海洋温差等低/中温余热是规模巨大的闲置清洁能源，固态热电发电（TEG）依托塞贝克效应可实现热能 - 电能无介质直接转换，无运动部件、高可靠性，是碳中和背景下余热回收、特种空间供电的核心技术路线。当前热电器件存在核心瓶颈：单一热电材料仅在窄温区间具备高无量纲热电优值ZT。经典的高性能中温热电材料 GeTe 室温ZT偏低，而低温商用Bi2−xSbxTe3（BST）热电材料仅在200 K以下温差才能工作，因此单一材料模块在 500 K 大温差工况下的能量转换效率受限。
近日，上海交大林尚超团队在中国工程院Engineering集群分刊ENGINEERING Energy上发表了题为“Achieving 12.7% energy conversion efficiency in segmented GeTe/BST-SKD thermoelectric modules via broad-temperature and structural optimizations”的研究论文。针对上述痛点，研究团队提出分段式 p 型 GeTe/BST与 n 型方钴矿 SKD热电支腿架构，结合多物理场有限元（FEM）全尺寸结构优化、Ni 箔界面扩散阻挡层工艺，在ΔT = 500 K温差下实现12.7% 峰值能量转换效率，功率密度、比功率同步大幅提升，为宽温域高效热电发电机提供完整材料 - 器件一体化设计方案。
图1.分段式热电模块的制备工艺流程示意图
材料体系精准优化，构建宽温域高ZT互补体系
1) p型高温段Ge1.01Bi0.06Sm0.03Te:Sm/Bi共掺杂再结晶退火，峰值ZTmax=2.47，600–773 K 区间平均ZT≈2.2
2) p 型低温段Bi0.4Sb1.6Te3:Sb 掺杂调控输运，抑制双极导热，峰值ZTmax=1.38
3) n 型Yb0.3Co4Sb12方钴矿（SKD）: 3天真空退火调控微观缺陷，晶格热导率降至0.99W/(m·K)，峰值ZTmax=1.33
4) 分段复合支腿打通高低温性能鸿沟，全温域维持高等效ZT
图2.三类热电材料变温 ZT、分段支腿界面 EDS
三大几何参数 FEM 全局优化，锁定最优器件构型
基于 COMSOL 多物理场仿真，同步优化分段比例HBST/H、高截面积比H/Apn、p/n 支腿截面积比Ap/An：
1) 最优分段比例 0.35：兼顾低温 BST、中高温 GeTe 贡献
2) 最优高截面积比0.67mm-1：平衡转换效率与功率密度
3) 最优 p/n 截面积比 1.85：实现 p、n 型材料热电性能的最优化匹配
图3.三大几何参数仿真优化曲线+3D 效率曲面
Ni 箔一体化界面工艺同步降低接触电阻、抑制元素互扩散
在GeTe与BST界面引入超薄Ni金属化层：
1) 充当扩散阻挡层，热循环后界面无明显元素扩散，器件高温稳定性优异
2) 减小界面接触电阻，实测接触电阻仅占模块总电阻28%
3) 规避热膨胀失配带来的界面开裂风险，提升循环寿命
实测性能大幅超越未分段模块，多项指标达同期先进水平
温差 ΔT = 500 K工况下实测核心数据：
1) 峰值能量转换效率12.7%，为仿真理论极限值的86%；
2) 模块面功率密度0.35W/cm2，材料有效功率密度1.51W/cm2；
3) 质量比功率143W/kg，单模块最大输出功率 0.43 W；
4) 相较同尺寸未分段 GeTe 模块：开路电压提升18%、功率密度提升35%、转换效率提升21%。
图4.分段/未分段模块仿真-实测性能对比
横向对标国际主流热电模块，综合性能位居前列
与 GeTe、PbTe、BST、半Heusler、方钴矿等体系已报道器件对比：
1) 实验/理论效率比rη≈85%，界面与制备损耗控制优异；
2) 500 K大温差下转换效率显著高于单一组分、普通分段热电模块，工业中高温废热回收具备产业化潜力。
图5.与国际主流热电模块横向性能对标
材料制备与表征
1) p型 GeTe：高纯原料封管熔融 + 1373 K 保温，823 K 真空退火 3 天，调控缺陷浓度、优化载流子浓度，调控电子与声子散射强度；
2) p型 BST：Bi/Sb/Te 配比调控，1273 K 熔融淬火，通过 Sb 掺杂引入多尺度析出物抑制晶格导热；
3) n型 SKD 方钴矿：Yb 填充方钴矿晶格，823 K 梯度退火调控位错与晶界，大幅降低晶格热导率；
4) XRD、SEM-EDS 完成物相、微观形貌、界面元素分布表征；激光闪射法、塞贝克测试系统完成 323–773 K全温区热电输运性能测试。
分段支腿与模块结构仿真优化
构建 2×2 π 型热电模块 COMSOL 多物理场模型，系统分析三类几何因子对输出功率、转换效率的耦合影响：
1) 分段比例过小：低温区间性能未充分利用；比例过大：中高温 GeTe 贡献被削弱；最优值 0.35；
2) 高截面积比增大可抑制傅里叶漏热、提升效率，但会增大内阻、降低功率密度，折中选取0.67mm-1；
3) p/n截面积比 1.85 实现p型与n型热电材料输运性质的匹配。
模块制备与性能测试
采用热压一步烧结制备分段 p 型支腿、一体式 n 型支腿，Ni 箔嵌入层同步成型；银浆真空钎焊组装陶瓷基底热电模块，搭建真空定制测试平台（真空度～5 Pa 消除对流热损失）开展变温差性能标定：
1) 开路电压随温差线性提升，仿真与实测误差极小
2) 输出电压 - 电流呈标准线性关系，高温下接触电阻小幅下降
3) 两次热循环后性能衰减微弱，Ni 界面具备优异高温循环稳定性
4) 量化对比未分段、分段、优化分段三类模块，验证分段架构 + 几何优化的协同增益
图6.测试平台实物、U-I、P-I、η-I 实测曲线
性能对标分析
定义相对效率比rη实测峰值效率/理论极限效率，本工作rη高达 85%，优于绝大多数已报道热电模块；在200–500 K全温差区间，转换效率全面领先单一组分、简单分段器件，证实分段宽温策略与界面优化的工程价值。
研究总结：
1. 开发GeTe/BST 分段p型支腿 + Yb 填充方钴矿 n 型支腿复合体系，通过掺杂、退火实现三类材料各自温区ZT峰值最大化，补齐单一材料宽温域性能短板；
2. 基于 FEM 多物理场仿真完成三段几何参数全局寻优，确定适配该材料体系的专属器件尺寸；
3. Ni 箔作为金属化层与扩散阻挡层一体化解决界面高阻、高温互扩散难题；
4. ΔT = 500 K下模块实测转换效率 12.7%，功率密度、比功率同步大幅提升，相比未分段模块效率提升 21%，是高性能中高温热电发电的可靠方案。
总而言之，该研究提供了一套从材料优化、界面工程到三维几何设计的完整技术路径，这一流程本身具有向其他热电材料体系迁移的参考价值。实验与仿真的系统对比，定量揭示了接触电阻（占总电阻约28%）对效率的实际折损，为后续界面工艺改进提供了明确的数据依据。在ΔT=500 K条件下，该分段器件实现了12.7%的能量转换效率和0.35 W/cm²的器件级功率密度，在已报道的GeTe基多对热电器件中处于较高水平；同时，143 W/kg的质量功率密度对空间电源等对重量敏感的应用场景具有一定参考意义。
这项研究在工程层面推进了热电器件从材料性能优势向系统级输出优势的转化，其理性设计框架对提升热电器件的实际应用价值具有积极的促进作用。
未来展望：
1. 界面工程迭代：进一步优化 Ni 箔厚度、复合阻挡层体系，将接触电阻占比降至 20% 以内，逼近理论极限效率；
2. 规模化拓展：将 2×2 小模块拓展至多电偶阵列，验证大尺寸分段模块的制备一致性与性能稳定性；
3. 工况适配优化：针对工业 300–600 K、深空核热源等不同温差区间，定制差异化分段比例与支腿几何构型；
4. 系统集成落地：耦合散热、功率管理电路，搭建完整余热回收热电发电样机，推进工业废热回收场景示范应用。（来源：EngineeringJournals微信公众号）
相关论文信息：https://journal.hep.com.cn/fie/EN/10.1007/s11708-026-1081-1
