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Analyzing transport properties of p-type Mg2Si-Mg2Sn solid solutions: Optimization of thermoelectric performance and insight into the electronic band structure

Kamila, Hasbuna und Sahu, Prashant und Sankhla, Aryan und Yasseri, Mohammad und Pham, Ngan Hoang und Dasgupta, Titas und Müller, Eckhard und de Boor, Johannes (2018) Analyzing transport properties of p-type Mg2Si-Mg2Sn solid solutions: Optimization of thermoelectric performance and insight into the electronic band structure. Journal of Materials Chemistry A. Royal Society of Chemistry. doi: 10.1039/C8TA08920E. ISSN 2050-7488.

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Kurzfassung

We have synthesized the complete stoichiometric range of the p-Mg2Si1-xSnx striving for the optimization of the thermoelectric properties of p-type Mg2(Si, Sn) with respect to composition. The experimental data is analyzed in the framework of a single parabolic band (SPB) model and we can show that the thermoelectric properties can be well presented if acoustic phonon scattering and alloy scattering are taken into account. We find that the maximum achievable carrier concentration and power factor increase with higher Sn content. Also, the carrier mobility increases strongly from Mg2Si to Mg2Sn due to changing density of states effective mass for the valence band which decreases from m_(D )^* (〖Mg〗_2 Si)=2.2 m_0 to m_D^* (〖Mg〗_2 Sn)=1.1 m_0. Retrieval of the acoustic phonon scattering potential (E_Def=9 eV) and the alloy scattering parameter (E_AS=0.5 eV) allows modelling the thermoelectric properties for any arbitrary composition. Hence, we can predict the optimum zT for x ≈0.65-0.7 and the maximum power factor for Sn-rich compositions. We furthermore reveal that significant improvement of the thermoelectric properties of Si-rich compositions can be achieved by increasing the carrier concentration experimentally and that difference between n- and p-type Mg2(Si, Sn) is due to the disparity between the valence and the conduction bands and not the interaction potentials.

elib-URL des Eintrags:https://elib.dlr.de/124064/
Dokumentart:Zeitschriftenbeitrag
Titel:Analyzing transport properties of p-type Mg2Si-Mg2Sn solid solutions: Optimization of thermoelectric performance and insight into the electronic band structure
Autoren:
AutorenInstitution oder E-Mail-AdresseAutoren-ORCID-iDORCID Put Code
Kamila, HasbunaGerman aerospace center, Institute of materials research, Köln, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Sahu, PrashantDepartment of Metallurgical Engineering and Materials Science, Indian Institute of Technology Bombay, Mumbai 400076, IndiaNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Sankhla, Aryangerman aerospace center, institute of materials research, köln, germanyhttps://orcid.org/0000-0002-1527-6902NICHT SPEZIFIZIERT
Yasseri, MohammadGerman aerospace center, Institute of materials research, Köln, Germany and Justus Liebig university Giessen, Institute of inorganic and analytical chemistry, 35392 Giessen, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Pham, Ngan Hoanggerman aerospace center, institute of materials research, köln, germanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Dasgupta, TitasDepartment of Metallurgical Engineering and Materials Science, Indian Institute of Technology Bombay, Mumbai 400076, IndiaNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
Müller, EckhardGerman Aerospace Center, Institute of Materials Research, Köln, Germany and Justus Liebig University Giessen, Institute of Inorganic and Analytical Chemistry, 35392 Giessen, GermanyNICHT SPEZIFIZIERTNICHT SPEZIFIZIERT
de Boor, JohannesGerman aerospace center, institute of materials research, köln, germanyhttps://orcid.org/0000-0002-1868-3167NICHT SPEZIFIZIERT
Datum:26 November 2018
Erschienen in:Journal of Materials Chemistry A
Referierte Publikation:Ja
Open Access:Ja
Gold Open Access:Nein
In SCOPUS:Ja
In ISI Web of Science:Ja
DOI:10.1039/C8TA08920E
Verlag:Royal Society of Chemistry
ISSN:2050-7488
Status:veröffentlicht
Stichwörter:Transport Properties, p-type Mg2Si-Mg2Sn Solid Solutions, Optimization, Thermoelectric Performance, Elelectronic Band Structure
HGF - Forschungsbereich:Luftfahrt, Raumfahrt und Verkehr
HGF - Programm:Raumfahrt
HGF - Programmthema:Technik für Raumfahrtsysteme
DLR - Schwerpunkt:Raumfahrt
DLR - Forschungsgebiet:R SY - Technik für Raumfahrtsysteme
DLR - Teilgebiet (Projekt, Vorhaben):R - Systemtechnologien (alt)
Standort: Köln-Porz
Institute & Einrichtungen:Institut für Werkstoff-Forschung > Thermoelektrische Materialien und Systeme
Hinterlegt von: Yasseri, Mohammad
Hinterlegt am:14 Dez 2018 09:21
Letzte Änderung:08 Nov 2023 10:40

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