專利名稱：外加電場(chǎng)型溫差發(fā)電熱電堆電池及其制冷裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種外加電場(chǎng)型溫差發(fā)電熱電堆電池，尤其是通過(guò)外部電源為熱電堆 電池提供一個(gè)調(diào)控的電場(chǎng)，該電場(chǎng)可以增強(qiáng)肖特基p-n結(jié)區(qū)載流子擴(kuò)散自建電場(chǎng)。提高熱 電材料ZT優(yōu)值系數(shù)，形成轉(zhuǎn)換效率較高的溫差熱電堆發(fā)電，以及熱電制冷的電堆裝置。本 發(fā)明還涉及這種外加電場(chǎng)型溫差發(fā)電熱電堆構(gòu)成的制冷裝置。
背景技術(shù)：
當(dāng)前熱電堆電池的基本結(jié)構(gòu)，都是采用p型半導(dǎo)體、n型半導(dǎo)體所組成的具有肖特 基p-n結(jié)特征的熱電堆電池，參看附圖l所示。 熱電堆電池是由電源正極板2. 1、電源負(fù)極板2. 2、 p型半導(dǎo)體2. 3、 n型半導(dǎo)體 2. 4、電堆導(dǎo)電板2. 5、上導(dǎo)熱絕緣板2. 6、下導(dǎo)熱絕緣板2. 7、pn結(jié)2. 8所組成。
圖中EK是熱電堆電池p型半導(dǎo)體_電堆導(dǎo)電金屬板_n型半導(dǎo)體結(jié)合，所形成的 肖特基勢(shì)壘層的自建電場(chǎng)EK， EK電場(chǎng)方向從n區(qū)指向p區(qū)。IK是熱電堆電池輸出電流。
n型半導(dǎo)體是在本征半導(dǎo)體材料中，摻入雜質(zhì)使自由電子濃度大大增加，稱為N型 (電子型)半導(dǎo)體。P型半導(dǎo)體在本征半導(dǎo)體中，摻入雜質(zhì)使空穴濃度大大增加，稱為P型 (空穴型)半導(dǎo)體。 當(dāng)熱輻射體的熱輻射能量通過(guò)熱電堆電池肖特基結(jié)區(qū)(熱電對(duì))，并熱輻射能大
于肖特基區(qū)能隙時(shí)，熱輻射能被肖特基結(jié)區(qū)的電子和空穴對(duì)吸收，提高電子和空穴對(duì)的勢(shì)
能。高勢(shì)能的電子和空穴對(duì)會(huì)分別受到肖特基結(jié)區(qū)自建電場(chǎng)&的影響，分別流向n區(qū)集電
板與P區(qū)集電板放熱，并在n區(qū)集電板、p區(qū)集電板與負(fù)載之間產(chǎn)生熱電流IQ。 多晶材料的熱電堆電池內(nèi)自建電場(chǎng)EK，是電池本身的特征參數(shù)。所以，影響多晶材
料熱電堆電池的自建電場(chǎng)^，主要有以下三個(gè)方面影響 1、晶粒間界處存在勢(shì)壘，阻斷載流子的通過(guò)，導(dǎo)電率降低。 2、晶粒間界作為一種晶體缺陷，起著有效復(fù)合正負(fù)載流子對(duì)中心作用。 3、金屬直接與半導(dǎo)體結(jié)合的肖特基結(jié)區(qū)，在半導(dǎo)體結(jié)合面表現(xiàn)正負(fù)載流子對(duì)復(fù)合
幾率增大。

發(fā)明內(nèi)容
為了提高熱電堆電池轉(zhuǎn)換效率，本發(fā)明提供一種電場(chǎng)型溫差發(fā)電熱電堆電池結(jié)
構(gòu)，尤其是通過(guò)外部電源接入電場(chǎng)型熱電堆電池的電場(chǎng)極，形成一個(gè)增強(qiáng)與穩(wěn)定電池內(nèi)自
建電場(chǎng)EK，提高熱電材料ZT優(yōu)值系數(shù)，形成轉(zhuǎn)換效率較高的電場(chǎng)型溫差發(fā)電結(jié)構(gòu)的電池。本 發(fā)明還將提供由這種外加電場(chǎng)型熱電堆構(gòu)成的制冷裝置。由于熱電堆具有溫差發(fā)電與熱電 制冷可逆工作方式，所以，電場(chǎng)型熱電堆也可以形成熱電制冷的電堆裝置。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的技術(shù)方案是 —種外加電場(chǎng)型溫差發(fā)電熱電堆電池，由p型半導(dǎo)體、n型半導(dǎo)體組成，在該熱電 堆電池的熱源面，設(shè)有與P型半導(dǎo)體、n型半導(dǎo)體連接的電堆導(dǎo)電板(也稱為導(dǎo)電金屬板)；p型半導(dǎo)體與n型半導(dǎo)體與該電堆導(dǎo)電板之間分別為肖特基pn結(jié)區(qū)；在該熱電堆電池的背 面，電源正極板與電源負(fù)極板分別與P型半導(dǎo)體、n型半導(dǎo)體連接；同時(shí)，在該熱電堆電池 的熱源面及其背面，分別設(shè)置有上導(dǎo)熱絕緣板與下導(dǎo)熱絕緣板；其特征在于，在所述的下導(dǎo) 熱絕緣板與電源正極板之間，設(shè)有電隔離層，該電隔離層下面設(shè)有外接電壓(或稱為外加 電壓，或外接電源)的電場(chǎng)負(fù)極板；在所述的下導(dǎo)熱絕緣板與電源負(fù)極板之間，設(shè)有電隔離 層，該電隔離層下面設(shè)有外接電壓的電場(chǎng)正極板；所述的外接電壓的電場(chǎng)正極板和所述的 外接電壓的電場(chǎng)負(fù)極板之間，設(shè)有外加電壓；所述的電堆導(dǎo)電板(也稱為導(dǎo)電金屬板)與該 外加電壓的中點(diǎn)電壓連接；在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體內(nèi)部形成調(diào)控電場(chǎng)。
本發(fā)明通過(guò)外部電源接入外加電場(chǎng)型溫差發(fā)電熱電堆電池，在單個(gè)電堆電池加外 電源電壓范圍0. 5V《Vw《2V，其中電源電壓Vw的大小與n區(qū)與p區(qū)選用的半導(dǎo)體材料，以 及電場(chǎng)極板之間的電堆電池有效厚度L有關(guān)，厚度越大，電壓越高，一般電堆電池有效厚度 L在1. 5mm《L《5mm之間，微電子型熱電堆有效厚度L在0. 15iim《L《500iim之間。
以上所述的電隔離層采用導(dǎo)熱絕緣材料構(gòu)成。 換言之，本發(fā)明的電場(chǎng)型溫差發(fā)電熱電堆電池結(jié)構(gòu)中，n型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體的 同向一端，用導(dǎo)電金屬板進(jìn)行結(jié)合，在導(dǎo)電金屬板與n型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體的結(jié)合面，各 自形成肖特基結(jié)區(qū)，并載流子擴(kuò)散自建電場(chǎng)EK/2， n型半導(dǎo)體-導(dǎo)電金屬板-p型半導(dǎo)體自 建電場(chǎng)總和為^， E^電場(chǎng)方向從n區(qū)指向p區(qū)。n型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體的另外一端分別 通過(guò)各自結(jié)合的導(dǎo)電金屬板，分別形成熱電堆電池輸出的負(fù)電極與正電極。在熱電堆電池 輸出的負(fù)電極、正電極與n型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體同向一端的導(dǎo)電金屬板外側(cè)，分別各自復(fù) 合一層電隔離的外接電壓的電場(chǎng)極板，電隔離層是導(dǎo)熱絕緣材料。其中，n型半導(dǎo)體負(fù)電極 復(fù)合的隔離電場(chǎng)極板接外接電壓Vw正極，p型半導(dǎo)體正電極復(fù)合的隔離電場(chǎng)極板接外接電 壓Vw負(fù)極，n型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體同向一端的導(dǎo)電金屬板連接外接電壓Vw串連電容的中 點(diǎn)電壓VV2，此時(shí)在n型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體內(nèi)部形成調(diào)控電場(chǎng)Ew。電場(chǎng)型熱電堆電池結(jié) 構(gòu)，參看附圖5所示。 熱電堆電池溫差發(fā)電與熱電制冷是基于Seebeck(賽貝克)效應(yīng)，Peltier(珀 爾帖)效應(yīng)。這一理論指出優(yōu)良的熱電材料本身，應(yīng)具有高的Seebeck系數(shù)a (其值為
"-^,其單位V/。C )、低的熱導(dǎo)率K、高的電導(dǎo)率o ，這三參數(shù)關(guān)聯(lián)起來(lái)z-^。式中Z
稱為材料的熱電優(yōu)值系數(shù)。因?yàn)椴煌臒犭姴牧隙加懈髯缘倪m宜工作溫度范圍，習(xí)慣上，人
們常用熱電優(yōu)值系數(shù)與溫度之積ZT這一無(wú)量綱量來(lái)描述材料的熱電性能(T是材料的平均 溫度)。 當(dāng)今提升熱電材料本身Z值的方法一般有兩種一是提高其功率因子(a 2 o ) ， 二 是降低其熱傳導(dǎo)系數(shù)(K)。 影響功率因子的物理機(jī)制包括散射參數(shù)、能態(tài)密度、載流子遷移度及費(fèi)米能級(jí)等 四項(xiàng)。而傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的熱電堆在前三項(xiàng)是材料的本質(zhì)性質(zhì)無(wú)法改變。所以傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的熱電堆， 只能依靠選擇更好更純的熱電材料來(lái)改進(jìn)。而實(shí)際上能控制熱電材料本身功率因子的物理 量，可以通過(guò)本發(fā)明的方法，加入熱電堆內(nèi)部一個(gè)調(diào)控電場(chǎng)，提高能態(tài)密度、載流子遷移度， 降低散射參數(shù)，以及通過(guò)改變半導(dǎo)體摻雜濃度來(lái)調(diào)整費(fèi)米能級(jí)，以達(dá)到最大的a、值。
固體材料熱傳導(dǎo)系數(shù)(K)包括了晶格熱傳導(dǎo)系數(shù)0g及電子熱傳導(dǎo)系數(shù)(Ke)，即K = ^+Ke。熱電材料之熱傳導(dǎo)大部份是通過(guò)晶格來(lái)傳導(dǎo)。晶格熱傳導(dǎo)系數(shù)(ig正比于熱 電材料的定容比熱(CV)、聲速、平均自由程三個(gè)基本物理量，前二個(gè)物理量是熱電材料的本 質(zhì)，無(wú)法改變，而平均自由程則隨材料中雜質(zhì)或晶界的多寡而改變。所以當(dāng)今對(duì)熱電材料而 言，在沒有提出好的辦法提高功率因子時(shí)，都集中在研究納米結(jié)構(gòu)，以及納米線的低維結(jié)構(gòu) 特征和空心量子效應(yīng)，可望充分限制聲子傳導(dǎo)，降低熱電材料的熱導(dǎo)率K，來(lái)提高材料的熱 電優(yōu)值系數(shù)Z的目的。 為了提高多晶材料光伏電池與熱電堆電池轉(zhuǎn)換效率，所使用的半導(dǎo)體材料，應(yīng) 是落在元素周期表的金屬與非金屬轉(zhuǎn)換線兩側(cè)的元素的化合物對(duì)。最常用的元素為硅 (Si)、鍺(Ge)、鉍(Bi)、銻(Sb)、碲(Te)、硒(Se)，以及半赫斯勒合金(half-Heusler)、方鈷 礦、金屬氧化物等。 本發(fā)明的外加電場(chǎng)型熱電堆電池可以串聯(lián)使用。 完成本申請(qǐng)第2個(gè)發(fā)明任務(wù)的方案是一種外加電場(chǎng)型熱電堆制冷裝置，由p型半
導(dǎo)體、n型半導(dǎo)體組成，在該熱電堆制冷裝置的制冷面，設(shè)有與p型半導(dǎo)體、n型半導(dǎo)體連接
的電堆導(dǎo)電板(也稱為導(dǎo)電金屬板)；P型半導(dǎo)體與n型半導(dǎo)體與該電堆導(dǎo)電板之間分別
為肖特基pn結(jié)區(qū)；在該熱電堆制冷裝置的背面，電源正極板與電源負(fù)極板分別與p型半導(dǎo) 體、n型半導(dǎo)體連接；同時(shí)，在該熱電堆制冷裝置的制冷面及其背面，分別設(shè)置有上導(dǎo)熱絕
緣板與下導(dǎo)熱絕緣板；其特征在于，在所述的下導(dǎo)熱絕緣板與電源正極板之間，設(shè)有電隔離 層，該電隔離層下面設(shè)有外接電壓的電場(chǎng)負(fù)極板；在所述的下導(dǎo)熱絕緣板與電源負(fù)極板之 間，設(shè)有電隔離層，該電隔離層下面設(shè)有外接電壓的電場(chǎng)正極板；所述的外接電壓的電場(chǎng)正 極板和所述的外接電壓的電場(chǎng)負(fù)極板之間，設(shè)有外加電壓；所述的電堆導(dǎo)電板(也稱為導(dǎo) 電金屬板)與該外加電壓的中點(diǎn)電壓連接；在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體內(nèi)部形成調(diào)控電場(chǎng)。
即，在所述的電場(chǎng)型熱電堆電池的電源正極板與電源負(fù)極板上連接電源供電(外 加電壓同時(shí)存在)，將R負(fù)載換成制冷電源制冷電源，即可構(gòu)成制冷裝置，電池原來(lái)的熱源 面即成為制冷面。 外加電場(chǎng)型溫差制冷熱電堆，在單個(gè)電堆加外電源電壓范圍Vw > 1. 5V2，V2為溫差 制冷熱電堆供電電壓。 換言之，本發(fā)明所述電場(chǎng)型熱電堆制冷裝置的具體結(jié)構(gòu)是電池電源正極板 (4. 1)、電池電源負(fù)極板(4. 2)、P型半導(dǎo)體(4. 3)、N型半導(dǎo)體(4. 4)、電堆導(dǎo)電板(4. 5)、電 場(chǎng)負(fù)極板(4. 7)、電場(chǎng)正極板(4. 6)、上導(dǎo)熱絕緣板(4. 8)、下導(dǎo)熱絕緣板(4. 9)、電場(chǎng)電源 Vp電容(Cl)、電容(C2)、制冷電源(V2)所組成；電場(chǎng)型熱電堆制冷裝置結(jié)構(gòu)中，電場(chǎng)負(fù)極 板(4. 7)、電場(chǎng)正極板(4.6)是復(fù)合在下導(dǎo)熱絕緣板(4.9)之中，并且電場(chǎng)負(fù)極板(4. 7)、 電場(chǎng)正極板(4.6)與熱電堆制冷裝置各電極電氣隔離；電場(chǎng)電源Vw輸出端連接串聯(lián)的電 容(Cl)、電容(C2)，兩個(gè)電容的容量相等，串聯(lián)的電容(Cl)、電容(C2)連接中點(diǎn)的電壓是 Vw/2 ;電場(chǎng)電源Vw輸出端正極與負(fù)極分別連接電場(chǎng)正極板(4.6)與電場(chǎng)負(fù)極板(4. 7)，而 串聯(lián)的電容(Cl)、電容(C2)連接中點(diǎn)的電壓Vw/2連接電堆導(dǎo)電板4.5 ;此時(shí)電場(chǎng)正極板 (4.8)與電堆導(dǎo)電板(4. 5)之間N型半導(dǎo)體形成電場(chǎng)Ew，電堆導(dǎo)電板(4. 5)與電場(chǎng)負(fù)極板 (4. 7)之間P型半導(dǎo)體形成電場(chǎng)Ew。 與電場(chǎng)型溫差發(fā)電熱電堆電池相同，本發(fā)明的電場(chǎng)型熱電堆制冷裝置也可以串聯(lián) 使用。
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本發(fā)明的電場(chǎng)型熱電堆電池結(jié)構(gòu)是通過(guò)外加調(diào)控電場(chǎng)Ew，增強(qiáng)與穩(wěn)定熱電堆電池 內(nèi)部自建電場(chǎng)E^，提高了 Seebeck系數(shù)a ，同時(shí)電場(chǎng)EW+EK對(duì)P區(qū)少子-負(fù)載流子，N區(qū)少 子-正載流子，在熱電堆電池輸出負(fù)電極、正電極有阻擋和反射作用，既減少了正負(fù)載流子 的之復(fù)合作用，而電場(chǎng)Ew能調(diào)整n區(qū)、p區(qū)多晶體晶粒間界勢(shì)壘方向，增強(qiáng)載流子的遷移，提 高了電導(dǎo)率o 。 所以電場(chǎng)型熱電堆電池結(jié)構(gòu)，是通過(guò)外加調(diào)控電場(chǎng)Ew，優(yōu)化熱電堆電池系統(tǒng)參數(shù)， 提高了功率因子(a 2 o )，達(dá)到提高優(yōu)值系數(shù)Z的目的。 本發(fā)明通過(guò)外部電源接入外加電場(chǎng)型溫差熱電堆電池，而外部電源所形成的外部 電場(chǎng)在Ew時(shí)，外加電場(chǎng)型溫差熱電堆電池材料Z2值隨載流子濃度與無(wú)電場(chǎng)型溫差熱電堆電 池Z值隨載流子濃度變化趨勢(shì)值的對(duì)比圖，參看附圖5所示。


圖1為現(xiàn)有熱電堆電池結(jié)構(gòu)原理圖； 圖2為本發(fā)明電場(chǎng)型熱電堆電池結(jié)構(gòu)原理圖； 圖3為本發(fā)明電場(chǎng)型熱電堆制冷片結(jié)構(gòu)原理圖； 圖4串聯(lián)電場(chǎng)型熱電堆電池結(jié)構(gòu)中外電場(chǎng)電源工作原理圖。 圖5外加電場(chǎng)型溫差熱電堆電池材料Z2值隨載流子濃度變化趨勢(shì)圖
具體實(shí)施方式

實(shí)施例1 參照附圖2所示，本發(fā)明一種電場(chǎng)型熱電堆電池結(jié)構(gòu)是由電池電源正極板4. 1、 電池電源負(fù)極板4. 2、P型半導(dǎo)體4. 3、N型半導(dǎo)體4. 4、電堆導(dǎo)電板4. 5、電場(chǎng)正極板4. 6、電 場(chǎng)負(fù)極板4. 7、上導(dǎo)熱絕緣板4. 8、下導(dǎo)熱絕緣板4. 9、電場(chǎng)電源Vw、電容Cl、電容C2、負(fù)載電 阻R所組成。電場(chǎng)型熱電堆電池結(jié)構(gòu)中，電場(chǎng)負(fù)極板4. 7、電場(chǎng)正極板4. 6是復(fù)合在下導(dǎo)熱 絕緣板4. 9之中，并且電場(chǎng)負(fù)極板4. 7、電場(chǎng)正極板4. 6與熱電堆電池各電極電氣隔離。電 場(chǎng)電源Vw輸出端連接串聯(lián)的電容Cl、電容C2，兩個(gè)電容的容量相等，所以串聯(lián)的電容Cl、電 容C2連接中點(diǎn)的電壓是Vw/2。電場(chǎng)電源Vw輸出端正極與負(fù)極分別連接電場(chǎng)正極板4. 6與 電場(chǎng)負(fù)極板4. 7，而串聯(lián)的電容Cl、電容C2連接中點(diǎn)的電壓Vw/2連接電堆導(dǎo)電板4. 5。此 時(shí)電場(chǎng)正極板4. 6與電堆導(dǎo)電板4. 5之間n型半導(dǎo)體形成電場(chǎng)Ew，電堆導(dǎo)電板4. 5與電場(chǎng) 負(fù)極板4. 7之間p型半導(dǎo)體形成電場(chǎng)Ew。 參照附圖2所示，本實(shí)施例一種電場(chǎng)型熱電堆電池結(jié)構(gòu)的工作原理是通過(guò)外加 調(diào)控電場(chǎng)Ew，增強(qiáng)與穩(wěn)定熱電堆電池內(nèi)部自建電場(chǎng)E^，提高了 Seebeck系數(shù)a ，同時(shí)電場(chǎng) EW+EK對(duì)P區(qū)少子-負(fù)載流子，N區(qū)少子-正載流子，在熱電堆電池輸出負(fù)電極、正電極有阻 擋和反射作用，既減少了正負(fù)載流子的之復(fù)合作用，而電場(chǎng)Ew能調(diào)整N區(qū)、P區(qū)多晶體晶粒 間界勢(shì)壘方向，增強(qiáng)載流子的遷移，提高了電導(dǎo)率o。所以電場(chǎng)型熱電堆電池結(jié)構(gòu)，是通過(guò) 外加調(diào)控電場(chǎng)Ew，優(yōu)化熱電堆電池系統(tǒng)參數(shù)，提高了功率因子(a 2 o )，達(dá)到提高優(yōu)值系數(shù)Z 的目的。 參照附圖4所示，本實(shí)施例一種電場(chǎng)型熱電堆電池結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)行多個(gè)電場(chǎng)型熱 電堆電池串聯(lián)連接，串聯(lián)電場(chǎng)型熱電堆電池結(jié)構(gòu)中外電場(chǎng)電源工作原理圖是3個(gè)電場(chǎng)型熱
7電堆電池串聯(lián)示意圖。
實(shí)施例2 參看附圖3所示，，本發(fā)明一種電場(chǎng)型熱電堆制冷片結(jié)構(gòu)是由電源正極板5. 1、電 源負(fù)極板5. 2、P型半導(dǎo)體5. 3、N型半導(dǎo)體5. 4、電堆導(dǎo)電板5. 5、電場(chǎng)正極板5. 6、電場(chǎng)負(fù)極 板5. 7、上導(dǎo)熱絕緣板5. 8、下導(dǎo)熱絕緣板5. 9、電場(chǎng)電源Vw、電容Cl、電容C2、制冷電源V2所 組成。電場(chǎng)型熱電堆制冷片結(jié)構(gòu)中，電場(chǎng)負(fù)極板5. 7、電場(chǎng)正極板5. 6是復(fù)合在下導(dǎo)熱絕緣 板5. 9之中，并且電場(chǎng)負(fù)極板5. 7、電場(chǎng)正極板5. 6與熱電堆各電極電氣隔離。電場(chǎng)電源Vw 輸出端連接串聯(lián)的電容Cl、電容C2，兩個(gè)電容的容量相等，所以串聯(lián)的電容Cl、電容C2連 接中點(diǎn)的電壓是Vw/2。電場(chǎng)電源VI輸出端正極與負(fù)極分別連接電場(chǎng)正極板5. 6與電場(chǎng)負(fù) 極板5. 7，而串聯(lián)的電容Cl 、電容C2連接中點(diǎn)的電壓Vw/2連接電堆導(dǎo)電板5. 5。此時(shí)電場(chǎng) 正極板5. 6與電堆導(dǎo)電板5. 5之間n型半導(dǎo)體形成電場(chǎng)Ew，電堆導(dǎo)電板5. 5與電場(chǎng)負(fù)極板 5. 7之間p型半導(dǎo)體形成電場(chǎng)Ew。 參照附圖3所示，本實(shí)施例一種電場(chǎng)型熱電堆制冷片結(jié)構(gòu)的工作原理是通過(guò)外 加調(diào)控電場(chǎng)Ew，增強(qiáng)與穩(wěn)定熱電堆電池內(nèi)部自建電場(chǎng)E^，提高了 Seebeck系數(shù)a ，同時(shí)電場(chǎng) Ew+EK對(duì)P區(qū)少子-負(fù)載流子，N區(qū)少子-正載流子，在熱電堆電池輸出負(fù)電極、正電極有阻擋 和反射作用，既減少了正負(fù)載流子的之復(fù)合作用，而電場(chǎng)Ew能調(diào)整n區(qū)、p區(qū)多晶體晶粒間 界勢(shì)壘方向，增強(qiáng)載流子的遷移，提高了電導(dǎo)率o，降低了熱電堆內(nèi)阻。所以電場(chǎng)型熱電堆 制冷片結(jié)構(gòu)，是通過(guò)外加調(diào)控電場(chǎng)Ew，優(yōu)化熱電堆電池系統(tǒng)參數(shù)，提高了功率因子(a 2 o )， 達(dá)到提高優(yōu)值系數(shù)Z的目的。 參照附圖4所示，本發(fā)明的電場(chǎng)型熱電堆發(fā)電與制冷片結(jié)構(gòu)，可以進(jìn)行多個(gè)電場(chǎng) 型熱電堆發(fā)電與制冷片串聯(lián)連接。附圖4中是3個(gè)電場(chǎng)型熱電堆發(fā)電串聯(lián)電路示意圖(熱 電堆制冷工作，將R負(fù)載換成制冷電源)。電堆1的P型輸出正電極與電堆2的N型輸出負(fù) 電極連接，電堆2的P型輸出正電極與電堆3的N型輸出負(fù)電極連接，電堆3的P型輸出正 電極與電堆1的N型輸出負(fù)電極構(gòu)成串連電場(chǎng)型熱電堆的輸出正、負(fù)極。電場(chǎng)電源Vw輸出 正、負(fù)電極連接有串連電容C1-C6。電場(chǎng)電源Vw輸出正極連接電堆l電場(chǎng)正極板，電場(chǎng)電源 Vw輸出負(fù)極連接電堆3電場(chǎng)負(fù)極板。串聯(lián)電容C1-C2的中間電壓V卜2連接電堆1的電堆導(dǎo) 電板，串聯(lián)電容C2-C3的中間電壓V2連接電堆1的P型電場(chǎng)負(fù)電極與電堆2的N型電場(chǎng)正 電極，串聯(lián)電容C3-C4的中間電壓V2—3連接電堆2的電堆導(dǎo)電板，串聯(lián)電容C4-C5的中間電 壓、連接電堆2的P型電場(chǎng)負(fù)電極與電堆3的N型電場(chǎng)正電極，串聯(lián)電容C5-C6的中間電 壓^—4連接電堆3的電堆導(dǎo)電板。
權(quán)利要求
一種外加電場(chǎng)型溫差發(fā)電熱電堆電池，由p型半導(dǎo)體、n型半導(dǎo)體組成，在該熱電堆電池的熱源面，設(shè)有與p型半導(dǎo)體、n型半導(dǎo)體連接的電堆導(dǎo)電板；p型半導(dǎo)體與n型半導(dǎo)體與該電堆導(dǎo)電板之間分別為肖特基pn結(jié)區(qū)；在該熱電堆電池的背面，電源正極板與電源負(fù)極板分別與p型半導(dǎo)體、n型半導(dǎo)體連接；同時(shí)，在該熱電堆電池的熱源面及其背面，分別設(shè)置有上導(dǎo)熱絕緣板與下導(dǎo)熱絕緣板；其特征在于，在所述的下導(dǎo)熱絕緣板與電源正極板之間，設(shè)有電隔離層，該電隔離層下面設(shè)有外接電壓的電場(chǎng)負(fù)極板；在所述的下導(dǎo)熱絕緣板與電源負(fù)極板之間，設(shè)有電隔離層，該電隔離層下面設(shè)有外接電壓的電場(chǎng)正極板；所述的外接電壓的電場(chǎng)正極板和所述的外接電壓的電場(chǎng)負(fù)極板之間，設(shè)有外加電壓；所述的電堆導(dǎo)電板與該外加電壓的中點(diǎn)電壓連接；在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體內(nèi)部形成調(diào)控電場(chǎng)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電場(chǎng)型溫差發(fā)電熱電堆電池，其特征在于，所述的外加電壓 數(shù)值為在單個(gè)電堆電池加外電源電壓范圍是0. 5V 3V。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電場(chǎng)型溫差發(fā)電熱電堆電池，其特征在于，所述電堆電池的 效厚度為1. 5mm 5mm ;所述微電子型熱電堆的有效厚度為0. 15 y m 500 y m。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電場(chǎng)型溫差發(fā)電熱電堆電池，其特征在于，所述的電隔離層 采用導(dǎo)熱絕緣材料構(gòu)成。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1或2或3或4所述的電場(chǎng)型溫差發(fā)電熱電堆電池，其特征在于，所 述電場(chǎng)型熱電堆電池的具體結(jié)構(gòu)是電池電源正極板(4. 1)、電池電源負(fù)極板(4. 2)、P型半 導(dǎo)體(4. 3) 、 N型半導(dǎo)體(4. 4)、電堆導(dǎo)電板(4. 5)、電場(chǎng)負(fù)極板(4. 7)、電場(chǎng)正極板(4. 6)、 上導(dǎo)熱絕緣板(4. 8)、下導(dǎo)熱絕緣板(4. 9)、電場(chǎng)電源Vp電容(Cl)、電容(C2)、負(fù)載電阻R 所組成；電場(chǎng)型熱電堆電池結(jié)構(gòu)中，電場(chǎng)負(fù)極板(4. 7)、電場(chǎng)正極板(4.6)是復(fù)合在下導(dǎo)熱 絕緣板(4.9)之中，并且電場(chǎng)負(fù)極板(4. 7)、電場(chǎng)正極板(4.6)與熱電堆電池各電極電氣隔 離；電場(chǎng)電源Vw輸出端連接串聯(lián)的電容(Cl)、電容(C2)，兩個(gè)電容的容量相等，串聯(lián)的電容 (Cl)、電容(C2)連接中點(diǎn)的電壓是VV2 ;電場(chǎng)電源Vw輸出端正極與負(fù)極分別連接電場(chǎng)正極 板(4.6)與電場(chǎng)負(fù)極板(4. 7)，而串聯(lián)的電容(Cl)、電容(C2)連接中點(diǎn)的電壓Vw/2連接電 堆導(dǎo)電板4.5 ;此時(shí)電場(chǎng)正極板(4. 8)與電堆導(dǎo)電板(4. 5)之間N型半導(dǎo)體形成電場(chǎng)Ew，電 堆導(dǎo)電板(4. 5)與電場(chǎng)負(fù)極板(4. 7)之間P型半導(dǎo)體形成電場(chǎng)Ew。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述的電場(chǎng)型溫差發(fā)電熱電堆電池，其特征在于，所述的若干個(gè)電 場(chǎng)型熱電堆電池串聯(lián)，構(gòu)成串聯(lián)式電場(chǎng)型熱電堆電池。
7. —種權(quán)利要求1所述的電場(chǎng)型溫差發(fā)電熱電堆電池構(gòu)成的外加電場(chǎng)型熱電堆制冷 裝置，由P型半導(dǎo)體、n型半導(dǎo)體組成，在該熱電堆制冷裝置的制冷面，設(shè)有與p型半導(dǎo)體、n 型半導(dǎo)體連接的電堆導(dǎo)電板；p型半導(dǎo)體與n型半導(dǎo)體與該電堆導(dǎo)電板之間分別為肖特基pn結(jié)區(qū)；在該熱電堆制冷裝置的背面，電源正極板與電源負(fù)極板分別與P型半導(dǎo)體、n型半 導(dǎo)體連接；同時(shí)，在該熱電堆制冷裝置的制冷面及其背面，分別設(shè)置有上導(dǎo)熱絕緣板與下導(dǎo) 熱絕緣板；其特征在于，在所述的下導(dǎo)熱絕緣板與電源正極板之間，設(shè)有電隔離層，該電隔 離層下面設(shè)有外接電壓的電場(chǎng)負(fù)極板；在所述的下導(dǎo)熱絕緣板與電源負(fù)極板之間，設(shè)有電 隔離層，該電隔離層下面設(shè)有外接電壓的電場(chǎng)正極板；所述的外接電壓的電場(chǎng)正極板和所 述的外接電壓的電場(chǎng)負(fù)極板之間，設(shè)有外加電壓；所述的電堆導(dǎo)電板與該外加電壓的中點(diǎn) 電壓連接；在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體內(nèi)部形成調(diào)控電場(chǎng)。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的電場(chǎng)型熱電堆制冷裝置，其特征在于，所述電場(chǎng)型熱電堆制冷裝置的具體結(jié)構(gòu)是電池電源正極板(4. 1)、電池電源負(fù)極板(4. 2)、P型半導(dǎo)體(4. 3)、 N型半導(dǎo)體(4. 4)、電堆導(dǎo)電板(4. 5)、電場(chǎng)負(fù)極板(4. 7)、電場(chǎng)正極板(4. 6)、上導(dǎo)熱絕緣 板(4. 8)、下導(dǎo)熱絕緣板(4. 9)、電場(chǎng)電源Vw、電容(Cl)、電容(C2)、制冷電源(V2)所組成; 電場(chǎng)型熱電堆制冷裝置結(jié)構(gòu)中，電場(chǎng)負(fù)極板(4. 7)、電場(chǎng)正極板(4. 6)是復(fù)合在下導(dǎo)熱絕緣 板(4.9)之中，并且電場(chǎng)負(fù)極板(4. 7)、電場(chǎng)正極板(4.6)與熱電堆制冷裝置各電極電氣隔 離；電場(chǎng)電源Vw輸出端連接串聯(lián)的電容(Cl)、電容(C2)，兩個(gè)電容的容量相等，串聯(lián)的電容 (Cl)、電容(C2)連接中點(diǎn)的電壓是VV2 ;電場(chǎng)電源Vw輸出端正極與負(fù)極分別連接電場(chǎng)正極 板(4.6)與電場(chǎng)負(fù)極板(4. 7)，而串聯(lián)的電容(Cl)、電容(C2)連接中點(diǎn)的電壓Vw/2連接電 堆導(dǎo)電板4.5 ;此時(shí)電場(chǎng)正極板(4. 8)與電堆導(dǎo)電板(4. 5)之間N型半導(dǎo)體形成電場(chǎng)Ew，電 堆導(dǎo)電板(4. 5)與電場(chǎng)負(fù)極板(4. 7)之間P型半導(dǎo)體形成電場(chǎng)Ew。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的電場(chǎng)型熱電堆制冷裝置，其特征在于，所述單個(gè)電堆的加 外電源電壓范圍大于或等于1. 5倍的溫差制冷熱電堆供電電壓。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的電場(chǎng)型熱電堆制冷裝置，其特征在于，所述的若干個(gè)電場(chǎng)型 熱電堆制冷裝置串聯(lián)，構(gòu)成串聯(lián)式電場(chǎng)型熱電堆制冷裝置。
全文摘要
外加電場(chǎng)型溫差發(fā)電熱電堆電池及其制冷裝置，電池由p型與n型半導(dǎo)體組成，熱源面設(shè)有與p型、n型半導(dǎo)體連接的導(dǎo)電板；p型與n型半導(dǎo)體與導(dǎo)電板之間為肖特基pn結(jié)區(qū)；背面設(shè)有正極板與負(fù)極板；熱源面及背面分別設(shè)有上導(dǎo)熱絕緣板與下導(dǎo)熱絕緣板；特征是下導(dǎo)熱絕緣板與電源正極板之間設(shè)有電隔離層，電隔離層下面設(shè)有外接電壓的電場(chǎng)負(fù)極板；下導(dǎo)熱絕緣板與電源負(fù)極板之間設(shè)有電隔離層，電隔離層下面設(shè)有外接電壓的電場(chǎng)正極板；電場(chǎng)正極板和電場(chǎng)負(fù)極板之間設(shè)有外加電壓；電堆導(dǎo)電板與外加電壓的中點(diǎn)電壓連接；在N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體內(nèi)部形成調(diào)控電場(chǎng)。本發(fā)明通過(guò)外加電場(chǎng)，優(yōu)化熱電堆電池系統(tǒng)參數(shù)，提高了功率因子(α2σ)，提高了優(yōu)值系數(shù)Z。
文檔編號(hào)H01L35/28GK101752496SQ20091021221
公開日2010年6月23日 申請(qǐng)日期2009年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月14日
發(fā)明者毛星原, 郭建國(guó) 申請(qǐng)人:郭建國(guó);毛星原