We report a high ZT of ∼2.0 at 823 K for 2% Na-doped PbTe with 6% MgTe with excellent thermal stability. We attribute the high thermoelectric performance to a synergistic combination of enhanced power factor, reduction of the lattice thermal conductivity and simultaneous suppression of bipolar thermal conductivity. MgTe inclusion in PbTe owns triple functions: the Mg alloying within the solubility limit in PbTe modifies the valence band structure by pushing the two valence bands (L and Σ bands) closer in energy, thereby facilitating charge carrier injection. When the solubility limit of Mg is exceeded, ubiquitous endotaxial nanostructures form, which when coupled with mesoscale microstructuring results in a very low (lattice) thermal conductivity through all-scaled length phonon scattering. Meanwhile, most significantly, the Mg alloying enlarges the energy gap of conduction band (C band) and light valence band (L band), thereby suppresses the bipolar thermal conductivity through an increase in band gap.

Abstract Thermoelectric materials can convert waste heat into electricity, potentially improving the efficiency of energy usage in both industry and everyday life. Unfortunately, known good thermoelectric materials often are comprised of elements that are in low abundance and require careful doping and complex synthesis procedures. Here, we report dimensionless thermoelectric figure of merit near unity in compounds of the form Cu 12 ‐ x M x Sb 4 S 13 , where M is a transition metal such as Zn or Fe, for wide ranges of x . The compounds investigated here span the range of compositions of the natural mineral family of tetrahedrites, the most widespread sulfosalts on Earth, and we further show that the natural mineral itself can be used directly as an inexpensive source thermoelectric material. Thermoelectrics comprised of earth‐abundant elements will pave the way to many new, low cost thermoelectric energy generation opportunities.

Previous efforts to enhance thermoelectric performance have primarily focused on reduction in lattice thermal conductivity caused by broad-based phonon scattering across multiple length scales. Herein, we demonstrate a design strategy which provides for simultaneous improvement of electrical and thermal properties of p-type PbSe and leads to ZT ~ 1.6 at 923 K, the highest ever reported for a tellurium-free chalcogenide. Our strategy goes beyond the recent ideas of reducing thermal conductivity by adding two key new theory-guided concepts in engineering, both electronic structure and band alignment across nanostructure-matrix interface. Utilizing density functional theory for calculations of valence band energy levels of nanoscale precipitates of CdS, CdSe, ZnS, and ZnSe, we infer favorable valence band alignments between PbSe and compositionally alloyed nanostructures of CdS1-xSex/ZnS1-xSex. Then by alloying Cd on the cation sublattice of PbSe, we tailor the electronic structure of its two valence bands (light hole L and heavy hole Σ) to move closer in energy, thereby enabling the enhancement of the Seebeck coefficients and the power factor.

We provide direct evidence to understand the origin of low thermal conductivity of SnSe using elastic measurements. Compared to state-of-the-art lead chalcogenides $\mathrm{Pb}Q(Q=\mathrm{Te}$, Se, S), SnSe exhibits low values of sound velocity $(\ensuremath{\sim}1420\phantom{\rule{0.28em}{0ex}}\mathrm{m}/\mathrm{s})$, Young's modulus $(E\ensuremath{\sim}27.7\phantom{\rule{0.28em}{0ex}}\mathrm{GPa})$, and shear modulus $(G\ensuremath{\sim}9.6\phantom{\rule{0.28em}{0ex}}\mathrm{GPa})$, which are ascribed to the extremely weak Sn-Se atomic interactions (or bonds between layers); meanwhile, the deduced average Gr\"uneisen parameter \ensuremath{\gamma} of SnSe is as large as \ensuremath{\sim}3.13, originating from the strong anharmonicity of the bonding arrangement. The calculated phonon mean free path (l \ensuremath{\sim} 0.84 nm) at 300 K is comparable to the lattice parameters of SnSe, indicating little room is left for further reduction of the thermal conductivity through introducing nanoscale microstructures and microscale grain boundaries. The low elastic properties indicate that the weak chemical bonding stiffness of SnSe generally causes phonon modes softening which eventually slows down phonon propagation. This work provides insightful data to understand the low lattice thermal conductivity of SnSe.

Large reductions in the thermal conductivity of thermoelectrics using nanostructures have been widely demonstrated. Some enhancements in the thermopower through nanostructuring have also been reported. However, these improvements are generally offset by large drops in the electrical conductivity due to a drastic reduction in the mobility. Here, we show that large enhancements in the thermopower and electrical conductivity of half-Heusler (HH) phases can be achieved simultaneously at high temperatures through coherent insertion of nanometer scale full-Heusler (FH) inclusions within the matrix. The enhancements in the thermopower of the HH/FH nanocomposites arise from drastic reductions in the "effective" carrier concentration around 300 K. Surprisingly, the mobility increases drastically, which compensates for the decrease in the carrier concentration and minimizes the drop in the electrical conductivity. Interestingly, the carrier concentration in HH/FH nanocomposites increases rapidly with temperature, matching that of the HH matrix at high temperatures, whereas the temperature dependence of the mobility significantly deviates from the typical T–α law and slowly decreases (linearly) with rising temperature. This remarkable interplay between the temperature dependence of the carrier concentration and mobility in the nanocomposites results in large increases in the power factor at 775 K. In addition, the embedded FH nanostructures also induce moderate reductions in the thermal conductivity leading to drastic increases in the ZT of HH(1 – x)/FH(x) nanocomposites at 775 K. By combining transmission electron microscopy and charge transport data, we propose a possible charge carrier scattering mechanism at the HH/FH interfaces leading to the observed anomalous electronic transport in the synthesized HH(1 – x)/FH(x) nanocomposites.

We report high thermoelectric performance in nanostructured p-type PbS, a material consisting of highly earth abundant and inexpensive elements. The high level of Na doping switched intrinsic n-type PbS to p-type and substantially raised the power factor maximum for pure PbS to ~9.0 μW cm(-1) K(-2) at >723 K using 2.5 at. % Na as the hole dopant. Contrary to that of PbTe, no enhancement in the Hall coefficient occurs at high temperature for heavily doped p-type PbS, indicating a single band model and no heavy hole band. We also report that the lattice thermal conductivity of PbS can be greatly reduced by adding SrS or CaS, which form a combination of a nanostructured/solid solution material as determined by transmission electron microscopy. We find that both nanoscale precipitates and point defects play an important role in reducing the lattice thermal conductivity, but the contribution from nanoscale precipitates of SrS is greater than that of CaS, whereas the contribution from point defects in the case of CaS is greater than that of SrS. Theoretical calculations of the lattice thermal conductivity based on the modified Callaway model reveal that both nanostructures and point defects (solid solution) effectively scatter phonons in this system. The lattice thermal conductivity at 723 K can be reduced by ~50% by introducing up to 4.0 at. % of either SrS or CaS. As a consequence, ZT values as high as 1.22 and 1.12 at 923 K can be achieved for nominal Pb(0.975)Na(0.025)S with 3.0 at. % SrS and CaS, respectively. No deterioration was observed after a 15 d annealing treatment of the samples, indicating the excellent thermal stability for these high performance thermoelectrics. The promising thermoelectric properties of nanostructured PbS point to a robust low cost alternative to other high performance thermoelectric materials.

GeSe, an analogue of SnSe, shows promise in exhibiting exceptional thermoelectric performance in the Pnma phase. The constraints on its dopability, however, pose challenges in attaining optimal carrier concentrations and improving ZT values. This study demonstrates a crystal structure evolution strategy for achieving highly doped samples and promising ZTs in GeSe via LiBiTe2 alloying. A rhombohedral phase (R3m) can be stabilized in the GeSe-LiBiTe2 system, further evolving into a cubic (Fm3̅m) phase with a rising temperature. The band structures of GeSe-LiBiTe2 in the rhombohedral and cubic phases feature a similar multiple-valley energy-converged valence band of L and Σ bands. The observed high carrier concentration (∼1020 cm–3) reflects the effective convergence of these bands, enabling a high density-of-states effective mass and an enhanced power factor. Moreover, a very low lattice thermal conductivity of 0.6–0.5 W m–1 K–1 from 300 to 723 K is achieved in 0.9GeSe-0.1LiBiTe2, approaching the amorphous limit value. This remarkably low lattice thermal conductivity is related to phonon scattering from point defects, planar vacancies, and ferroelectric instability-induced low-energy Einstein oscillators. Finally, a maximum ZT value of 1.1 to 1.3 at 723 K is obtained, with a high average ZT value of over 0.8 (400–723 K) in 0.9GeSe-0.1LiBiTe2 samples. This study establishes a viable route for tailoring crystal structures to significantly improve the performance of GeSe-related compounds.

Cu based ternary compounds have received intensive attentions as thermoelectric materials but their carrier mobility and thermal stability are subject to native Cu vacancy. In this work, the synergistic improvement in thermoelectric performance and stability in CuInTe2 is presented, facilitated by local chemical bond enhancement. Heavy dose Mg doping on In site can successfully suppress the formation of Cu vacancy in CuInTe2 and its thermal stability is significantly improved. As a result, In comparison to alternative dopants, Mg doping demonstrates a notable capacity for reinforcing the lattice structure through the inhibition of copper vacancies, thereby yielding a considerable enhancement in mobility by 20 %∼50 %, and the zT value of CuIn0.94Mg0.06Te2 exceeds 1.2 at 873 K. By further alloying with Ga on In site, the thermal conductivity is greatly reduced and more surprisingly the thermal stability is continuously enhanced. Notably, in Cu(In0.4Ga0.6)0.94Mg0.06Te2, a peak zT value of 1.72 at 973 K is achieved, while in Cu(In0.6Ga0.4)0.94Mg0.06Te2, an average zT value of 0.82 is attained. This study offers valuable insights into optimizing the thermoelectric performance and thermal stability of Cu-based ternary compounds through effective doping and defect regulation, providing guidance for future research in this field.

Being a major obstacle, Ag

SnTe based compounds have long been considered to be competitive in thermoelectric power generation. However, its intrinsically high hole concentration due to Sn vacancies and inferior band structure featured by...