Enhancing thermoelectric properties of n-type Bi2Te3 based system through transition metal doping

Abstract

This paper is a study on the results of thermoelectric properties analysis after conducting a transition metal (Eu, Y) doping experiment on Bi2Te3 through solid phase synthesis. At a time when fossil fuel depletion and the necessity of eco-friendly and renewable energy are emerging, thermoelectric research is in the spotlight as an energy research that can solve these problems. This is because it is possible to convert waste heat that is discarded in various ways into electrical energy through thermoelectric research. The effect of converting heat energy into electric potential is called the Seebeck effect, and the opposite effect is called the Peltier effect. These two effects are called thermoelectric effects. The research was conducted with the aim of increasing the dimensionless number ZT, an index indicating thermoelectric performance. In this paper, Bi2Te3, which exhibits high efficiency at a relatively low temperature, was used as the basic material, and the experiment was conducted by doping transition metals after process optimization. In the case where no impurities were observed on XRD and SEM-EDS, the higher the dopant concentration, the higher the electrical conductivity and thus the higher ZT. In the case where the impurities were observed, the higher the dopant concentration, the lower the thermal conductivity and the higher the ZT. In the case of doping Y, it was found that impurities were observed to effectively lower the thermal conductivity, and the thermal conductivity was further lowered through Se alloying. As a result, for the composition Y0.01Bi1.99Te2.7Se0.3, the highest ZT = 0.96 was recorded at 400K.

이 논문은 Bi2Te3 에 전이금속(Eu, Y) 도핑 실험을 고상합성을 통하여 진행한 후 열전 특성 분석 결과에 대한 연구이다. 화석연료 고갈과 자연친화적, 신재생 에너지의 필요성이 대두되고 있는 시점에서 열전 연구는 이 문제들을 해결할 수 있는 에너지 연구로 각광받고 있다. 열전 연구를 통해서 다양한 방식으로 버려지는 폐열을 전기에너지로 전환할 수 있기 때문이다. 열에너지가 전위로 전환되는 효과를 제벡 효과라고 하고, 그 반대 효과를 펠티어 효과라고 한다. 이 두 효과를 열전 효과라고 한다. 열전 성능을 나타내는 지표인 무차원수 ZT를 높이는 것을 목표로 하여 연구를 진행하였다. 이 논문에서는 비교적 낮은 온도에서 높은 효율을 나타내는 Bi2Te3 을 기본 물질로 사용하였으며, 공정 최적화 후 전이금속들을 도핑하는 방식으로 실험을 진행하였다. XRD, SEM-EDS 상에서 불순물이 관찰되지 않은 경우에는 도펀트 농도가 증가할수록 전기전도도가 높아져서 ZT가 높아지고, 불순물이 관찰되는 경우에는 도펀트 농도가 증가할수록 열전도도가 낮아져서 ZT가 높아지는 것을 알 수 있었다. Y를 도핑하는 경우에 불순물이 관찰되어 열전도도를 효과적으로 낮춘다는 사실을 발견하였고, Se alloying을 통하여 열전도도를 더 낮추었다. 그 결과 Y0.01Bi1.99Te2.7Se0.3 조성에 대하여 400K에서 최고 ZT = 0.96을 기록하였다.