光热电转换器件及其制造方法技术

本发明专利技术提供光热电转换器件及其制造方法。该光热电转换器件包括第一电极和第二电极；在所述第一电极表面由纳米结构体形式的光热材料形成的光热单元；绝缘材料形成的衬底层；以及在所述第一电极和所述衬底层之间由热电材料形成的热电单元；所述第二电极与所述热电单元电性接触。

【技术实现步骤摘要】
光热电转换器件及其制造方法
本
技术实现思路
涉及光热电转换器件和制造该光热电转换器件的方法。
技术介绍
环境中具有丰富的热能，如何有效和高效的收集环境中的热能是人们关注的热点。目前，收集热能的有效途径是热电发电机。热电发电机是基于塞贝克效应将环境中的热能转化成电能。但是该类发电机在使用过程中需要器件电极两端存在较大的温差。但是环境中自然存在较大温差的场景并不多，除非人为的制造这种温差，这就极大的限制了该类发电机的广泛应用。
技术实现思路
本专利技术提供具有改善光热电转换效率的光热电转换器件和制造该光热电转换器件的方法。另外的方面将在随后的描述中部分地阐明，且部分地将从所述描述明晰，或者可通过所提供的实施方式的实践获知。根据本专利技术的一个方面，光热电转换器件包括：第一电极和第二电极；在所述第一电极表面形成的光热单元；绝缘材料形成的衬底层；以及在所述第一电极和所述衬底层之间由热电材料形成的热电单元；所述光热单元具有纳米结构体形式的光热材料，所述第二电极与所述热电单元电性接触。在该光热电转换器件中，光热材料吸光，使光热单元温度上升，高于室温。第一电极温度增加，而第二电极仍保持在室温，产生温度梯度，即两电极间存才明显温差，由此产生塞贝克效应(Seebeckeffect)。塞贝克效应又称作第一热电效应，是指由于两种不同电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间的电压差的热电现象。一般规定热电势方向为：在热端电流由负流向正。在该光热电转换器件组成的回路中，第一电极和第二电极的温度不同，则在回路中将出现热电流，其方向取决于温度梯度的方向。该热电单元中的热端载流子扩散至冷端而形成电流，由于载流子在热端和冷端堆积，形成电势差。本专利技术利用上述工作机理，通过光照射使热电单元实现有效的热电输出，进而实现光-热-电的转换。在一实施例中，所述第一电极和第二电极在衬底层的投影不重叠。由于第一电极和第二电极在衬底层的投影重叠时第一电极和第二电极的距离较近，两个电极热量相互传递，难以形成有效的温度梯度。因此第一电极和第二电极在衬底层的投影不重叠，可以避免由第一电极将热量传递至第二电极而导致的温度梯度降低。在一实施例中，所述光热单元包括二硫化钼、碳纳米管、石墨烯、金纳米材料或硫化铜。在一实施例中，所述热电单元包括：由纳米结构体形式的半导体热电材料和聚合物热电材料混合形成的复合材料。在一实施例中，所述半导体热电材料包括Te、Bi2Te3、SbTe3、PbTe、BiSbTe或BiSbTe。在一实施例中，所述第二电极位于所述热电单元和所述衬底层之间。这样热电单元表面上可以覆盖较多的第一电极和光热单元，有利于增加光热单元接收光照的受光面积，提高器件的集成化程度。在一实施例中，所述光热单元为包括二硫化钼的高分子聚合物，所述二硫化钼在高分子聚合物中的重量百分比为0.5％-3％。根据本专利技术的另一方面，制造光热电转换器件的方法，包括：在第一电极表面形成具有纳米结构体形式的光热材料；在第一电极和绝缘衬底层之间形成热电材料；所述热电单元与第二电极电性接触。在一实施例中，所述第一电极和第二电极在衬底层的投影不重叠。在一实施例中，所述第二电极位于所述热电单元和所述衬底层之间。在一实施例中，所述光热单元由导电电浆与光热材料混合形成，所述光热材料包括二硫化钼、碳纳米管、石墨烯、金纳米材料或硫化铜。在一实施例中，所述热电单元包括：由纳米结构体形式的半导体热电材料和聚合物热电材料混合形成的复合材料。本专利技术的光热电转换器件可以通过光来使热电单元工作而得到有效的热电输出，进而实现光-热-电的转换。此外，第一电极和第二电极在衬底层的投影不重叠，可以避免由第一电极将热量传递至第二电极而导致的温度梯度降低。此外还有利于在热电单元表面上覆盖较多的第一电极和光热单元，以利于增加光热单元接收光照的受光面积，提高器件的集成化程度。附图说明结合附图考虑的实施方式的下列描述，以上和/或其他方面将变得明晰和更容易理解，在附图中：图1是根据本专利技术一个实施方式的光热电转换器件结构示意图；图2是本专利技术光热电转换器件的光热单元的光学图；图3是本专利技术光热电转换器件的光热单元光热转换过程升温曲线图；图4A至图4D是本专利技术显光热电转换器件的热电电压和热电电流图；图5是本专利技术光热电转换器件的实物图片；图6是根据本专利技术另一实施方式的光热电转换器件结构示意图。具体实施方式现在将参照附图更充分地描述示例性实施方式，相同的附图标记表示相同的元件。实施例一：图1是根据本专利技术的一个实施方式的光热电转换器件结构示意图。参照图1，光热电转换器件包括第一电极10、第二电极20、在第一电极上方表面形成的光热单元30、绝缘支撑衬底50、以及在第一电极、第二电极和绝缘支撑衬底之间形成的热电单元40。该光热电转换器件是用于将光能转变为热能，再将热能转变为电能的装置，并且包括用于实现光热转换的光热单元30和用于实现热电转换的热电单元40。如图1所示，第一电极10和第二电极20在衬底层50的投影不重叠。因为第一电极10和第二电极20在衬底层50的投影重叠时两个电极的距离较近，第一电极10和第二电极20的热量相互传递，难以形成有效的温度梯度。因此第一电极10和第二电极20在衬底层50的投影不重叠，可以避免由第一电极10将热量传递至第二电极20而导致的温度梯度降低。热电单元40是由纳米结构体形式的半导体热电材料和聚合物热电材料混合而成的热电纳米复合膜形成。该半导体热电材料可为碲(Te)、Bi2Te3、SbTe3、PbTe、BiSbTe、BiSbTe。该聚合物热电材料为PEDOT:PSS(PEDOT:PSS是聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸))。纳米结构体可为纳米线、纳米管、纳米棒、纳米片、纳米孔或纳米颗粒，但本实施方式不仅限于此。纳米结构体具有比相应的体结构体较好的热电性能。特别地，纳米线结构体即一维纳米结构中，由于声子在纳米线表面散射，导致热电材料可达到较低的导热系数。纳米结构形式的半导体可在导电聚合物中沿任意方向布置，例如纳米结构体形式的半导体可规则或不规则地布置在导电聚合物中，可相对于衬底平行布置，也可相对于衬底按一定倾斜角度布置。光热单元是由纳米结构体形式的光热材料和水性地板漆混合形成的。该光热材料可为二硫化钼(MoS2)、碳纳米管、氧化石墨烯、不同形状的金纳米材料或硫化铜，纳米结构体可包括纳米花、纳米线、纳米管、纳米棒、纳米片、纳米孔或纳米颗粒，但本实施方式不仅限于此。所述水性地板漆可为聚氨酯水性地板漆。第一电极和第二电极均可为金属材料，例如Au、Ag、Cu、Al、Pt、或其组合或合金，此外，第一电极和第二电极各自可为透明和柔性的导电材料，例如导电聚合物如PEDOT:PSS、石墨烯、导电氧化物如氧化铟锡(ITO)和氧化铟锌(IZO)，碳纳米管、或其混合物形成。但本实施方式不限于此。如果光热单元包括导电材料，光热单元可作为电极，代替第一电极。例如，如果光热单元中包括石墨烯或PEDOT:PSS材料，则可不提供第一电极。绝缘支撑衬底可为柔性衬底，例如塑料衬底如PET和织物衬底；此外，绝缘支撑衬底可为非柔性衬底，例如玻璃衬底；但本实施方式不限于此。MoS2二维纳米材料是一种高效的光热材料，光热转换效率高。已有利用MoS2吸收红外光本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.光热电转换器件，其特征在于包括：第一电极和第二电极；在所述第一电极表面形成的光热单元；绝缘材料形成的衬底层；以及在所述第一电极和所述衬底层之间由热电材料形成的热电单元；所述光热单元具有纳米结构体形式的光热材料，所述第二电极与所述热电单元电性接触。

【技术特征摘要】
2018.02.07 CN 20181012204921.光热电转换器件，其特征在于包括：第一电极和第二电极；在所述第一电极表面形成的光热单元；绝缘材料形成的衬底层；以及在所述第一电极和所述衬底层之间由热电材料形成的热电单元；所述光热单元具有纳米结构体形式的光热材料，所述第二电极与所述热电单元电性接触。2.根据权利要求1所述的光热电转换器件，其特征在于：所述第一电极和第二电极在衬底层的投影不重叠。3.根据权利要求2所述的光热电转换器件，其特征在于：所述第二电极位于所述热电单元和所述衬底层之间。4.根据权利要求1所述的光热电转换器件，其特征在于：所述光热单元包括二硫化钼、碳纳米管、石墨烯、金纳米材料或硫化铜。5.根据权利要求1所述的光热电转换器件，其特征在于：所述光热单元为包括二硫化钼的高分子聚...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢燕楠，何明会，张彬彬，林宗宏，王书棠，林鸿宾，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建,35