Studio di proprietà termoelettriche di nuove leghe Half-Heusler tramite calcolo ab-initio

Half-Heusler (HH) alloys are thermoelectric (TE) materials that enable direct conversion of waste heat to electricity. For this reason, they are of growing interest in the field of the Waste Heat Recovery. In this work the thermoelectric properties of two systems (TiNiSn and TaCoSn) have been investigated using local Gaussian type orbitals and hybrid density functional theory methods within a periodic approach via the ab-initio periodical simulation program CRYSTAL17. The fair amount of theoretical and experimental works present in literature about TiNiSn allow us to consider this system as a benchmark needed to validate a correct computational method (the appropriate Functionals, Basis Set and computational parameters). The Seebeck coefficient, the power-factor, and the thermoelectric figure-of-merit of the TiNiSn HH alloy have been computed and the results agree well with the ones taken as references. For this reason, the same computational method has been applied also for the study of the TaCoSn HH alloy, for which consistent data are not sufficient in the literature. Our computations show that TiNiSn and TaCoSn alloys prefer p-type charge carriers and exhibit a figure-of-merit of about 1 at a chosen carrier concentration and temperature. From comparison between the two systems it has been noticed that the TaCoSn shows more promising TE properties respect the TiNiSn, either at room temperature or, better, at high temperature, in particular considering the Power Factor. The TE properties computed for the TaCoSn perfect crystal do not match completely with the experimental results present in literature due to the defectivity of the real structure. However, this work is an indispensable starting point for further studies.

Le leghe Half-Heusler sono materiali termoelettrici (TE) che permettono una conversione diretta di calore disperso in elettricità. Per questo motivo sono di crescente interesse nel campo del “Waste Heat Recovery”. In questo lavoro sono state studiate le proprietà termoelettriche di due sistemi (TiNiSn e TaCoSn) usando orbitali locali di tipo Gaussiano e metodi ibridi DFT tramite il codice quanto meccanico di simulazione periodica CRYSTAL17. La cospicua quantità di studi teorici e sperimentali presenti in letteratura riguardo il TiNiSn ci permettono di considerare questo sistema come un “benchmark” necessario per validare un corretto modello di calcolo (funzionale appropriato, Set base e parametri computazionali). Sono stati calcolati il coefficiente di Seebeck, il Power-Factor e la figura di merito della lega TiNiSn e i risultati sono in accordo con le referenze. Per questo motivo, lo stesso metodo computazionale è stato applicato allo studio della lega TaCoSn per la quale i risultati presenti in letteratura non sono consistenti e sufficienti. I nostri calcoli mostrano che le leghe di TiNiSn e di TaCoSn favoriscono dei portatori di carica “p-type” e mostrano una figura di merito, calcolata ad una definita temperatura e concentrazione di portatori, di circa 1. Dal confronto dei due sistemi si è notato che la lega TaCoSn mostra proprietà TE migliori rispetto la lega TiNiSn a temperatura ambiente e soprattutto ad alte temperature, in particolare considerando il Power Factor. Le proprietà termoelettriche calcolate per il cristallo perfetto di TaCoSn non sono in perfetto accordo con i dati sperimentali presenti in letteratura, a causa della forte difettosità della struttura cristallina reale. Tuttavia, questo lavoro è un punto di partenza fondamentale per studi futuri.