專利名稱：具有絕緣襯底的熱電模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包括一系列通過導(dǎo)電觸點串聯(lián)連接的P和η型半導(dǎo)體的熱電模塊及其制備方法，其中所述熱電模塊被支撐在具有特定電絕緣的襯底上。
背景技術(shù)：
熱電發(fā)電機和Peltier結(jié)構(gòu)本身已公開了一段時間。一側(cè)受到加熱而另一側(cè)被冷卻的P和η型摻雜半導(dǎo)體傳輸電荷通過外電路，并且可以通過電路中的負(fù)載作電功。在這種方法中實現(xiàn)的熱到電能的轉(zhuǎn)換效率在熱動學(xué)上受到Carnot效率限制。因此，在高溫側(cè)溫度為1000Κ、“低溫”側(cè)溫度為400Κ的情況下可以獲得(1000-400) 1000 = 60%的效率。 然而，迄今為止最高只能獲得10%的效率。另一方面，當(dāng)向這種結(jié)構(gòu)施加直流電流時，熱量從一側(cè)傳輸至另一側(cè)。這種 Peltier結(jié)構(gòu)像熱泵一樣工作，因此適于冷卻裝置部件、車輛或建筑物。相比于常規(guī)加熱，基于Peltier原理的加熱也更優(yōu)選，因為相比于對應(yīng)于提供的能量當(dāng)量，其傳輸更多熱量。例如 Cronin B. Vining, ITS Short Course on Thermoelectricity, (1993 年 11 月8日，Yokohama，日本)很好地回顧了效果和材料。目前，熱電發(fā)電機被用在例如航空探測器中用于產(chǎn)生直流電、用于管道的陰極抗腐蝕、用于向燈浮標(biāo)和無線電浮標(biāo)提供能量、以及用于使收音機和電視工作。熱電發(fā)電機的優(yōu)勢在于它極度可靠。例如，它們可以在任何大氣條件(諸如大氣濕度)下工作；不存在易于產(chǎn)生故障的質(zhì)量轉(zhuǎn)移，而只有電荷轉(zhuǎn)移?？梢允褂脧臍錃獾教烊粴?、汽油、煤油、柴油燃料、直至生物方式獲取的燃料(例如菜籽油甲酯)的任何燃料。熱電能量轉(zhuǎn)換因此能夠非常靈活地適應(yīng)未來需求，諸如氫經(jīng)濟或源自可再生能源的能量生成?！椞貏e有吸引力的應(yīng)用是用于在機動車、加熱系統(tǒng)或電站中將(廢棄)熱量轉(zhuǎn)換成電能。目前利用的熱能甚至可以通過熱電發(fā)電機至少部分回收，但是現(xiàn)有技術(shù)的效率遠低于10%，因此相當(dāng)一部分能量仍然未得到利用。因此在廢棄熱量的利用中還存在獲得更高效率的驅(qū)動力。直接將太陽能轉(zhuǎn)換成電能也是非常有吸引力的。諸如拋物線形凹部這樣的集中器可以將太陽能集中到產(chǎn)生電能的熱電發(fā)電機中。然而，在用作熱泵時還需要更高的效率。熱電活性材料基本根據(jù)其效率被評估。熱電材料在這個方面上的特性被稱作Z因子(品質(zhì)因數(shù))Z=^
K其中S為塞貝克系數(shù)，σ為電導(dǎo)率，κ為熱導(dǎo)率。優(yōu)選熱導(dǎo)率非常低、電導(dǎo)率非常高、塞貝克系數(shù)非常大的熱電材料，以使品質(zhì)因數(shù)獲得最大值。乘積S2· σ被稱作功率因子，且用于熱電材料的比較。
此外，常常還報告無量綱的乘積Z ·Τ以用于比較目的。目前已知的熱電材料在最佳溫度下具有約為1的最大Z · T值。在超出該最佳溫度的情況下，Z · T值通常明顯小于 1。更為精確的分析表明可以依據(jù)以下公式計算效率(同時參見Mat. Sci. and Eng. B29 (1995)228)
權(quán)利要求
1.一種熱電模塊，其包括通過導(dǎo)電觸點串聯(lián)連接的一組P和η型半導(dǎo)體，所述導(dǎo)電觸點接觸具有中到高的熱導(dǎo)率的襯底，所述襯底通過包括陶瓷材料的電阻表面層與導(dǎo)電觸點電絕緣。
2.如權(quán)利要求1所述的熱電模塊，其中所述電阻表面層由陶瓷材料或玻璃和陶瓷材料的混合物的涂層形成。
3.如權(quán)利要求1或2中任一項所述的熱電模塊，其中所述襯底為金屬、金屬合金、半金屬、半導(dǎo)體、石墨、導(dǎo)電陶瓷或其組合。
4.如權(quán)利要求1-3中任一項所述的熱電模塊，其中所述電阻表面層的厚度在 1 μ m-500 μ m1 μ m—100 μ m ^Jl]。
5.如權(quán)利要求1-4中任一項所述的熱電模塊，其中所述導(dǎo)電觸點沉積在電絕緣襯底上。
6.如權(quán)利要求1-4中任一項所述的熱電模塊，其中所述導(dǎo)電觸點被施加到熱電材料上。
7.如權(quán)利要求1-6中任一項所述的熱電模塊，其中所述熱電材料被嵌入、夾置或插入固體基質(zhì)中，其中所述基質(zhì)材料具有低的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率，且優(yōu)選為陶瓷、玻璃、云母、氣凝膠或這些材料的組合。
8.如權(quán)利要求1-7中任一項所述的熱電模塊，其中所述電阻表面層通過電泳沉積施加到襯底上。
9.如權(quán)利要求1-8中任一項所述的熱電模塊，其中所述襯底為耐熱的鋼、鐵或鎳合金。
10.如權(quán)利要求1-9中任一項所述的熱電模塊，其中所述陶瓷材料包括礬土、氧化鋯、 二氧化鈦、硅石、氧化硼或其混合物。
11.如權(quán)利要求1-10中任一項所述的熱電模塊，其中所述襯底具有不受限制的三維幾何形狀，所述形狀優(yōu)選能夠通過形成襯底片材獲得。
12.一種用于制備如權(quán)利要求1-11中任一項所述的熱電材料的方法，其包括通過電泳沉積向所述襯底施加所述電阻表面層的步驟。
13.根據(jù)權(quán)利要求1-11中任一項所述的熱電模塊的用途，所述用途為用作熱泵、用于就座家具、車輛和建筑物的氣候控制、用在冰箱和(衣物)干燥機中、用于在物質(zhì)分離過程中同時加熱和冷卻流、用作利用熱源的發(fā)電機或用于冷卻電子部件。
14.一種熱泵、冷卻器、冰箱、(衣物)干燥機、利用熱源的發(fā)電機、用于將熱能轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電機，其包括至少一個如權(quán)利要求1-11中任一項所述的熱電模塊。
全文摘要
在包括通過導(dǎo)電觸點串聯(lián)連接的一組p和n型半導(dǎo)體的熱電模塊中，導(dǎo)電觸點接觸具有中到高的熱導(dǎo)率的襯底，所述襯底通過包括陶瓷材料的電阻表面層與導(dǎo)電觸點電絕緣。
文檔編號H01L35/32GK102449791SQ201080023763
公開日2012年5月9日 申請日期2010年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月2日
發(fā)明者F·哈斯, F·斯塔克浦, G·胡貝爾, I·W·瓊斯, J·S·布萊克本, K·希爾勒-阿恩特, M·A·斯忒芬, S·希文斯 申請人:巴斯夫歐洲公司