Thrifty thermoelectric cooling Currently available thermoelectric devices for cooling rely on expensive bismuth telluride. Mao et al. systematically developed a far less expensive n-type magnesium-bismuth–based material with good thermoelectric properties. They built a device that could generate a temperature difference of up to 90 kelvin when coupled with a commercially available p-type material. Such materials should provide an excellent basis for cost-effective thermoelectric cooling technology. Science , this issue p. 495

Thermoelectric generators, capable of directly converting heat into electricity, hold great promise for tackling the ever-increasing energy sustainability issue. The thermoelectric energy conversion efficiency is heavily dependent upon the materials’ performance that is quantified by the dimensionless figure-of-merit (ZT). Therefore, the central issue in the research of thermoelectric materials lies in continuously boosting the ZT value. Although thermoelectric effects were discovered in the nineteenth century, it was only until the 1950s when classic materials like Bi2Te3 and PbTe were developed and basic science of thermoelectrics was established. However, the research of thermoelectrics did not take a smooth path but a rather tortuous one with ups and downs. After hiatus in the 1970s and 1980s, relentless efforts starting from the 1990s were devoted to understanding the transport and coupling of electrons and phonons, identifying strategies for improving the thermoelectric performance of existing materials, and discovering new promising compounds. Rewardingly, substantial improvements in materials’ performance have been achieved that broke the ZT limit of unity. Meanwhile, advancements in fundamental understanding related to thermoelectrics have also been made. In this Review, recent advances in the research of thermoelectric materials are overviewed. Herein, strategies for improving and decoupling the individual thermoelectric parameters are first reviewed, together with a discussion on open questions and distinctly different opinions. Recent advancements on a number of good thermoelectric materials are highlighted and several newly discovered promising compounds are discussed. Existing challenges in the research of thermoelectric materials are outlined and an outlook for the future thermoelectrics research is presented. The paper concludes with a discussion of topics in other fields but related to thermoelectricity.

Discovery of thermoelectric materials has long been realized by the Edisonian trial and error approach. However, recent progress in theoretical calculations, including the ability to predict structures of unknown phases along with their thermodynamic stability and functional properties, has enabled the so-called inverse design approach. Compared to the traditional materials discovery, the inverse design approach has the potential to substantially reduce the experimental efforts needed to identify promising compounds with target functionalities. By adopting this approach, here we have discovered several unreported half-Heusler compounds. Among them, the p-type TaFeSb-based half-Heusler demonstrates a record high ZT of ~1.52 at 973 K. Additionally, an ultrahigh average ZT of ~0.93 between 300 and 973 K is achieved. Such an extraordinary thermoelectric performance is further verified by the heat-to-electricity conversion efficiency measurement and a high efficiency of ~11.4% is obtained. Our work demonstrates that the TaFeSb-based half-Heuslers are highly promising for thermoelectric power generation.

Abstract Thermoelectric materials are capable of converting waste heat into electricity. The dimensionless figure-of-merit (ZT), as the critical measure for the material’s thermoelectric performance, plays a decisive role in the energy conversion efficiency. Half-Heusler materials, as one of the most promising candidates for thermoelectric power generation, have relatively low ZTs compared to other material systems. Here we report the discovery of p -type ZrCoBi-based half-Heuslers with a record-high ZT of ∼1.42 at 973 K and a high thermoelectric conversion efficiency of ∼9% at the temperature difference of ∼500 K. Such an outstanding thermoelectric performance originates from its unique band structure offering a high band degeneracy ( N v ) of 10 in conjunction with a low thermal conductivity benefiting from the low mean sound velocity ( v m ∼2800 m s −1 ). Our work demonstrates that ZrCoBi-based half-Heuslers are promising candidates for high-temperature thermoelectric power generation.

Germanium telluride (GeTe)-based materials, which display intriguing functionalities, have been intensively studied from both fundamental and technological perspectives. As a thermoelectric material, though, the phase transition in GeTe from a rhombohedral structure to a cubic structure at ∼700 K is a major obstacle impeding applications for energy harvesting. In this work, we discovered that the phase-transition temperature can be suppressed to below 300 K by a simple Bi and Mn codoping, resulting in the high performance of cubic GeTe from 300 to 773 K. Bi doping on the Ge site was found to reduce the hole concentration and thus to enhance the thermoelectric properties. Mn alloying on the Ge site simultaneously increased the hole effective mass and the Seebeck coefficient through modification of the valence bands. With the Bi and Mn codoping, the lattice thermal conductivity was also largely reduced due to the strong point-defect scattering for phonons, resulting in a peak thermoelectric figure of merit (ZT) of ∼1.5 at 773 K and an average ZT of ∼1.1 from 300 to 773 K in cubic Ge0.81Mn0.15Bi0.04Te. Our results open the door for further studies of this exciting material for thermoelectric and other applications.

Half-Heusler compounds exhibit significant potential in thermoelectric applications for power generation up to 1000 K, notwithstanding the substantial challenges posed by the cost of constituent elements and the imperative to...

AgSbTe2 is a promising p-type thermoelectric material operating in the mid-temperature regime. To further enhance its thermoelectric performance, previous research has mainly focused on reducing lattice thermal conductivity by forming ordered nanoscale domains for instance. However, the relatively low power factor is the main limitation affecting the power density of AgSbTe2-based thermoelectric devices. In this work, we demonstrate that hole-doped AgSbTe2 with Sn induces the formation of a new impurity band just above the valence band maximum. This approach significantly improves the electrical transport properties, contrary to previous strategies that focused on reducing lattice thermal conductivity. As a result, we achieve a record-high power factor of 27 μWcm−1K−2 and a peak thermoelectric figure of merit zT of 2.5 at 673 K. This exceptional performance is attributed to an increased hole concentration resulting from the formation of the impurity band and a lower formation energy of the defect complexes ( $${V}_{{Ag}}^{1-}$$ + $${{Sn}}_{{Sb}}^{1-}$$ ). Besides, the doped materials exhibit a significantly improved Seebeck coefficient by inhibiting bipolar conductivity and preventing the formation of n-type Ag2Te. Additionally, the optimized AgSbTe2 is used to fabricate a unicouple thermoelectric device that achieves energy conversion efficiencies of up to 12.1% and a high power density of 1.13 Wcm−2. This study provides critical insights and guidance for optimizing the performance of p-type AgSbTe2 in thermoelectric applications. Sn doping enables a breakthrough in p-type AgSbTe2 for thermoelectric applications, achieving a zT of 2.5 and 12.1% device efficiency. The authors reveal an impurity band mechanism, offering a strategy for AgSbTe2 optimization.