熱電技術作為新型能源轉換技術，能夠將廢熱直接轉化為電能，在核反應堆等高溫環境中的應用前景廣闊。如何高效利用壓水反應堆停堆過程中的余熱仍是亟待解決的難題。近年來，我校720所昂然研究員團隊通過創新熱電發電裝置系統，實現了對堆芯余熱的高效導出與利用，為核技術應用提供了新思路。

熱電材料的關鍵挑戰與最新突破

傳統熱電材料性能受限于電子導電性與聲子熱導率的矛盾，為此，昂然研究員團隊在材料設計和器件結構上做出了諸多創新。

1. n型硒化鉛（PbSe）熱電材料的晶格缺陷工程

圖1. 銅摻雜提升n型PbSe熱電性能及其高效發電能力

PbSe作為無碲熱電材料，因其巨大的熱電潛力和較低成本，成為研究重點。近日，昂然研究員團隊通過銅摻雜引入晶格缺陷，有效解耦電子和聲子，顯著提升了其熱電性能。在n型多晶PbSe中，熱電優值zT達——1.9，并在分段熱電模塊中實現了——13.1%的高轉換效率（如圖1所示），為硒化物熱電材料的應用奠定了基礎，相關工作發表于Nature Communications。四川大學在讀博士生鄧騫、澳大利亞昆士蘭科技大學史曉磊博士為論文共同第一作者，通訊作者為四川大學昂然研究員、北京高壓科學研究中心董洪亮博士和澳大利亞昆士蘭科技大學陳志剛教授，論文第一單位為四川大學原子核科學技術研究所。

2. p型碲化錫（SnTe）熱電材料的有序晶界重構

圖2. 通過有序晶界重構提升p型SnTe熱電器件的高效發電性能

為解決SnTe熱電材料在高溫下的雙極擴散問題，昂然研究員團隊提出“有序晶界重構”策略，通過誘發能量過濾效應，顯著提高功率因子，并降低晶格熱導率。在300-850K范圍內，SnTe材料實現了——1.0的較高平均zT，熱電器件達到——10.5%的轉換效率和——2.0Wcm-2的高輸出功率密度（如圖2所示），為高效SnTe熱電器件開發開辟了新途徑，相關工作發表于Energy & Environmental Science。四川大學在讀博士生鄧騫、張富界與安徽大學研究生楊曉玉為論文共同第一作者，通訊作者為四川大學昂然研究員、安徽大學南鵬飛博士和南方科技大學何佳清教授，論文第一單位為四川大學原子核科學技術研究所。

3. p型碲化鍺（GeTe）熱電材料的多相共格納米界面網絡

圖3. 多相納米共格界面網絡提升p型GeTe熱電性能以及在激光非輻射能量采集和非接觸式熱感應中的應用

GeTe材料的反摻雜優化策略常導致載流子運輸受限，遷移率降低，從而限制熱電性能提升。昂然研究員團隊通過在GeTe中形成偽立方GeTe、Cu2Te和PbTe的多相共格納米界面網絡，優化了載流子濃度并提高遷移率，實現803K下峰值zT——2.22，在303-803K范圍內平均zT——1.40的優異表現（如圖3所示）。此外，熱電器件在激光非輻射能量收集和非接觸式熱感應中的應用潛力也得以展示。該突破為GeTe基熱電器件高效設計提供了新思路，相關工作發表于Advanced Energy Materials。四川大學在讀博士生朱江龍為論文第一作者，通訊作者為四川大學昂然研究員、四川大學華西口腔醫學院孫強特聘研究員，論文第一單位為四川大學原子核科學技術研究所。

4. 多功能Mg3(Sb,Bi)2固態熱電傳感器

圖4. Mg3(Sb,Bi)2固態熱電傳感器件在多種應用場景中的典型示范

傳統的固態Mg3(Sb,Bi)2熱電研究主要聚焦于提升熱電性能及發電制冷效率，較少涉及其他潛在應用領域，限制了熱電材料的發展。昂然研究員團隊通過間隙Co摻雜顯著提高該材料的熱電性能，成功實現483K下27.3μWcm−1K−2的功率因子，并展現400MPa的抗壓強度及25%的應變能力。團隊還創新制備了固態熱電傳感器，展示了在呼吸監測、手指觸摸、熱輻射、紅外激光照射及液體接觸等多場景中的卓越性能（如圖4所示）。該研究為醫療、電子設備、核技術等領域開辟了新空間，相關工作發表于Cell Press期刊Device。四川大學在讀博士生田邦州為論文第一作者，通訊作者為四川大學昂然研究員、孫強特聘研究員，論文第一單位為四川大學原子核科學技術研究所。

熱電技術在核反應堆中的應用前景

熱電材料的高效能量轉換特性使其在核反應堆余熱回收中具有重要應用價值。隨著熱電性能提升和器件設計優化，熱電技術有望在核電站、航空航天及深空探測等高溫領域廣泛應用。有效回收核反應堆余熱不僅能提高能源利用效率，還能為清潔能源轉化與儲存提供技術支持。

上述研究工作得到了國家重點研發計劃、四川省重點研發計劃及四川大學理科內涵發展計劃等項目的資助。