热电发电技术能够将热能直接转化为电能输出，在废热回收、深空探测等领域具有不可替代的作用。半赫斯勒（Half-Heusler）热电材料具有良好的热电性能和优异的机械性能，是最具商业化应用前景的中高温热电材料之一。但该类材料在小批量合成时面临重复性与稳定性等问题，同时针对性的器件结构设计与集成工艺尚不成熟，目前半赫斯勒材料热电器件的实际转换效率远落后于基于实验室材料性能的理论值。 　  

　　最近，中国科学院上海硅酸盐研究所陈立东研究员、柏胜强研究员和刘睿恒副研究员带领的科研团队与浙江大学朱铁军教授团队合作，针对中高温半赫斯勒热电材料和器件开展了一系列工作，采用激光诱导自蔓延的方法实现了该材料的宏量制备与性能优化，同时结合有限元仿真对器件结构进行了精确设计优化，成功研制了单级Half-Heusler器件与双段Half-Heusler/ Bi₂Te₃器件，分别打破了目前报道的同等温度条件下单级和两级热电器件转换效率的记录。相关成果相继发表于J. Mater. Chem. A, 2018, 6, 19470-19478和Energy & Environmental Science, 2019, DOI:10.1039/C9EE02228G。激光诱导自蔓延合成技术获授权中国发明专利1项(专利号：ZL 201710585659.1)，相关工作第一作者为上海硅酸盐所2015级直博生邢云飞。 　　  

　　团队研究了半赫斯勒材料的自蔓延反应机理与合成方法, 发现n型MNiSn (M: Ti, Zr, Hf)和p型MCoSb (M: Ti, Zr, Hf)两类半赫斯勒化合物具备较高的反应能量，可以实现自蔓延反应的稳定自持。基于这一结论，采用激光诱导自蔓延的方法实现了n型Zr_0.5Hf_0.5NiSn_0.985Sb_0.015和p型Zr_0.5Hf_0.5CoSb_0.8Sn_0.2材料单个样品200克以上的宏量合成，宏量制备的材料ZT值最高分别达1.07和0.92，与传统熔融工艺制备的实验室小样品相当。 

　　在宏量制备的高性能材料基础上，团队采用三维有限元方法对半赫斯勒热电器件拓扑结构（包括高度截面积比H/A_pn、截面积比A_p/A_n、不同热电材料高度比H_HH/H_BT等）进行了优化。最终获得的单级Half-Heusler器件在666 K温差下转换效率达9.6%，为目前报道的单级器件最高值；同时研制的双段Half-Heusler/ Bi₂Te₃热电器件在698 K温差下转换效率达12.4%，打破了目前报道的双段热电器件的记录。 　  

　　以上一系列研究工作贯通了从材料优化、批量合成、器件设计与集成制造的全链条技术，为其他新型热电材料提供了可参照的范例，有助于加速热电器件的工业化应用进程。 　　  

　　该项研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、国家杰出青年科学基金、中国科学院青年创新促进会等的资助和支持。 　  

自蔓延宏量制备过程与大样品热电性能。 

该工作中的Half-heusler单级热电器件和Half-heusler/ Bi₂Te₃双段器件在不同温差下测得的最大转换效率以及与文献报道值对比。