热电设备和系统技术方案

本公开内容提供了一种热电元件，所述热电元件包括具有暴露表面的柔性半导体衬底，所述暴露表面具有至少约为0.25的品质因数(ZT)和经X射线光电子能谱法(XPS)测得的约小于1％的金属含量，其中，在25℃下，所述柔性半导体衬底具有约小于或等于1x106磅每平方英寸(psi)的杨氏模量。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】交叉引用本申请要求提交于2014年3月25日的美国临时专利申请第61/970,322号和提交于2014年6月17日的美国临时专利申请第62/013,468号的优先权，其每个申请的全部内容通过引用而合并于此。专利技术背景全世界每年有超过15太瓦的热由需要石油作为其主要燃料源的热机流失到环境中。这是由于这些热机仅将石油的化学能的约30％至40％转化为有用功。废热的生成是热力学第二定律的不可避免的结果。术语“热电效应”包括塞贝克效应(Seebeckeffect)、珀尔贴效应(Peltiereffect)和汤姆逊效应(Thomsoneffect)。基于热电效应的固态冷却和发电通常利用塞贝克效应或珀尔贴效应进行发电和热泵送。然而，此类常规热电设备的效用通常受限于其较低的性能系数(COP)(对于制冷应用而言)或较低的效率(对于发电应用而言)。热电设备性能可由所谓的热电品质因数(figure-of-merit)Z＝S2σ/k所体现，其中‘S’为塞贝克系数，‘σ’为电导率，而‘k’为热导率。Z通常用作热电设备的COP和效率的指标——亦即，COP与Z成比例。可以采用无量纲的品质因数ZT来量化热电设备性能，其中‘T’可以是设备的热端和冷端的平均温度。虽然常规的半导体热电冷却器相比其他制冷技术提供了许多优点，但由于较低的品质因数，使其应用相当有限。在冷却中，具有较小品质因数的、由常规热电材料制成的热电设备的较低效率限制了它们在提供高效热电冷却方面的应用。
技术实现思路
本公开内容提供了热电元件、设备和系统，以及用于形成此类元件、设备和系统的方法。虽然有目前可用的热电设备，但本文认识到了与此类热电设备相关联的各种局限性。例如，目前可用的一些热电设备可能不是柔性的，并且不能够与各种形状的物体共形，因此难以使用于热传递的表面面积最大化。再例如，目前可用的一些热电设备相当厚，因而不适合用于需要更紧凑的热电设备的电子设备。本公开内容提供了热电元件、设备和系统，以及用于形成此类热电元件、设备和系统的方法。本公开内容的热电元件和设备可以是柔性的，并且能够与各种形状、大小和配置的物体共形，从而使得此类元件和设备适用于各种环境，诸如消费者和工业环境。本公开内容的热电元件和设备可以与表面共形以便收集废热并且将该废热的至少一部分转化为可用能量。在一些情况下，可以在化学、电和/或机械能转换过程中产生废热。在本公开内容的一个方面，一种用于形成具有至少约为0.25的品质因数(ZT)的热电元件的方法包括：(a)提供反应空间，所述反应空间包括半导体衬底、与所述半导体衬底的第一表面电连通的工作电极、与所述半导体衬底的第二表面相接触的蚀刻溶液(例如，电解质)以及所述蚀刻液中的对电极，其中所述半导体衬底的所述第一表面和所述第二表面基本上无金属涂层；以及(b)使用所述电极和对电极以(i)向所述半导体衬底引导至少约为0.1mA/cm2的电流密度的电流，和(ii)用所述蚀刻溶液蚀刻所述半导体衬底的所述第二表面以便在所述半导体衬底中形成孔图案，从而形成具有至少约为0.25的所述ZT的所述热电元件，其中所述蚀刻是在跨所述半导体衬底与蚀刻溶液的电势至少约为1伏(V)的情况下进行的，并且其中在25℃下，所述蚀刻的蚀刻速率至少约为每秒1纳米(nm)。在一些实施方式中，跨所述工作电极、蚀刻溶液和对电极的所述电势至少约为1伏特(V)。在一些实施方式中，所述电势是交流电(AC)电压。在一些实施方式中，所述电势是直流电(DC)电压。在一些实施方式中，所述工作电极与所述第一表面相接触。在一些实施方式中，所述工作电极与所述第一表面欧姆接触。在一些实施方式中，所述半导体衬底是所述工作电极的一部分。在一些实施方式中，所述蚀刻速率至少约为每秒10nm。在一些实施方式中，所述蚀刻速率至少约为每秒100nm。在一些实施方式中，所述蚀刻速率至少约为每秒1000nm。在一些实施方式中，所述电流密度至少约为1mA/cm2。在一些实施方式中，所述电流密度至少约为10mA/cm2。在一些实施方式中，所述电流密度约为10mA/cm2至50mA/cm2、10mA/cm2至30mA/cm2或10mA/cm2至20mA/cm2。在一些实施方式中，所述电流密度约小于或等于100mA/cm2或50mA/cm2。在一些实施方式中，在以所述电流密度的交流电下对所述半导体衬底进行蚀刻。在一些实施方式中，在所述蚀刻期间，所述工作电极是阳极。在一些实施方式中，所述方法还包括在(b)之后对所述半导体衬底进行退火。在一些实施方式中，所述方法还包括，在(b)之前，将所述蚀刻溶液加热到大于25℃的温度。在一些实施方式中，在不存在(或不借助)金属催化剂的情况下，对所述半导体衬底进行蚀刻。在一些实施方式中，所述孔图案包括无序的孔图案。在一些实施方式中，所述工作电极不接触所述蚀刻溶液。在一些实施方式中，所述蚀刻溶液包括酸。在一些实施方式中，所述酸选自HF、HCl、HBr和HI。在一些实施方式中，所述蚀刻溶液包括醇添加剂。在一些实施方式中，所述蚀刻是在没有对所述半导体衬底进行照明的情况下进行的。在一些实施方式中，在25℃下，所述ZT至少为0.5、0.6、0.7、0.8、0.9或1。在一些实施方式中，所述半导体衬底包含硅。在另一方面，一种用于形成具有至少约为0.25的品质因数(ZT)的热电元件的方法包括：(a)在包括蚀刻溶液(例如，电解质)的反应空间中提供半导体衬底；(b)将至少约为0.1mA/cm2的电流密度的电流引导流动至所述半导体衬底；以及(c)在至少约为0.1mA/cm2的所述电流密度下，利用所述蚀刻溶液来蚀刻所述半导体衬底以在所述半导体衬底中形成无序的孔图案，从而形成具有至少约为0.25的所述ZT的所述热电元件，其中所述蚀刻是在(i)不存在金属催化剂和(ii)跨所述半导体衬底和所述蚀刻溶液的电势至少约为1伏(V)的情况下进行的，并且其中在25℃下，所述蚀刻的蚀刻速率至少约为每秒1纳米(nm)。在一些实施方式中，所述电势是交流电(AC)电压。在一些实施方式中，所述电势是直流电(DC)电压。在一些实施方式中，所述蚀刻速率至少约为每秒10nm。在一些实施方式中，所述蚀刻速率至少约为每秒100nm。在一些实施方式中，所述蚀刻速率至少约为每秒1000nm。在一些实施方式中，所述电流密度至少约为1mA/cm2。在一些实施方式中，所述电流密度至少约为10mA/cm2。在一些实施方式中，所述电流密度约为10mA/cm2至50mA/cm2、10mA/cm2至30mA/cm2或10mA/cm2至20mA/cm2。在一些实施方式中，所述电流密度约小于或等于100mA/cm2或50mA/cm2。在一些实施方式中，在以所述电流密度的交流电下对所述半导体衬底进行蚀刻。在一些实施方式中，所述蚀刻溶液包括酸。在一些实施方式中，所述酸选自HF、HCl、HBr和HI。在一些实施方式中，所述蚀刻溶液包括醇添加剂。在一些实施方式中，所述蚀刻是在没有对所述半导体衬底进行照明的情况下进行的。在一些实施方式中，所述方法还包括在(c)之后对所述半导体衬底进行退火。在一些实施方式中，所述方法还包括，在(c)之前，将所述蚀刻溶液加本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于形成具有至少约为0.25的品质因数(ZT)的热电元件的方法，所述方法包括：(a)提供反应空间，所述反应空间包括半导体衬底、与所述半导体衬底的第一表面电连通的工作电极、与所述半导体衬底的第二表面相接触的蚀刻溶液以及所述蚀刻液中的对电极，其中所述半导体衬底的所述第一表面和所述第二表面基本上无金属涂层；以及(b)使用所述电极和对电极以(i)向所述半导体衬底引导至少约为0.1mA/cm2的电流密度的电流，和(ii)用所述蚀刻溶液蚀刻所述半导体衬底的所述第二表面以便在所述半导体衬底中形成孔图案，从而形成具有至少约为0.25的所述ZT的所述热电元件，其中所述蚀刻是在跨所述半导体衬底与蚀刻溶液的电势至少约为1伏(V)的情况下进行的，并且其中在25℃下，所述蚀刻的蚀刻速率至少约为每秒1纳米(nm)。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.03.25 US 61/970,322;2014.06.17 US 62/013,4681.一种用于形成具有至少约为0.25的品质因数(ZT)的热电元件的方法，所述方法包括：(a)提供反应空间，所述反应空间包括半导体衬底、与所述半导体衬底的第一表面电连通的工作电极、与所述半导体衬底的第二表面相接触的蚀刻溶液以及所述蚀刻液中的对电极，其中所述半导体衬底的所述第一表面和所述第二表面基本上无金属涂层；以及(b)使用所述电极和对电极以(i)向所述半导体衬底引导至少约为0.1mA/cm2的电流密度的电流，和(ii)用所述蚀刻溶液蚀刻所述半导体衬底的所述第二表面以便在所述半导体衬底中形成孔图案，从而形成具有至少约为0.25的所述ZT的所述热电元件，其中所述蚀刻是在跨所述半导体衬底与蚀刻溶液的电势至少约为1伏(V)的情况下进行的，并且其中在25℃下，所述蚀刻的蚀刻速率至少约为每秒1纳米(nm)。2.如权利要求1所述的方法，其中所述工作电极与所述第一表面相接触。3.如权利要求2所述的方法，其中所述工作电极与所述第一表面欧姆接触。4.如权利要求1所述的方法，其中所述蚀刻速率至少约为每秒10nm。5.如权利要求1所述的方法，其中所述蚀刻速率至少约为每秒100nm。6.如权利要求1所述的方法，其中所述蚀刻速率至少约为每秒1000nm。7.如权利要求1所述的方法，其中所述电流密度至少约为1mA/cm2。8.如权利要求7所述的方法，其中所述电流密度至少约为10mA/cm2。9.如权利要求8所述的方法，其中所述电流密度小于或等于约50mA/cm2。10.如权利要求1所述的方法，其中在所述蚀刻期间，所述工作电极是阳极。11.如权利要求1所述的方法，还包括在(b)之后对所述半导体衬底进行退火。12.如权利要求1所述的方法，还包括，在(b)之前，将所述蚀刻溶液加热到大于25℃的温度。13.如权利要求1所述的方法，其中在不存在金属催化剂的情况下，对所述半导体衬底进行蚀刻。14.如权利要求1所述的方法，其中所述孔图案包括无序的孔图案。15.如权利要求1所述的方法，其中所述工作电极不接触所述蚀刻溶液。16.如权利要求1所述的方法，所述蚀刻溶液包括酸。17.如权利要求16所述的方法，其中所述酸选自HF、HCl、HBr和HI。18.如权利要求16所述的方法，其中所述蚀刻溶液包括醇添加剂。19.如权利要求1所述的方法，其中所述蚀刻是在没有对所述半导体衬底进行照明的情况下进行的。20.如权利要求1所述的方法，其中在25℃下，所述ZT至少约为0.5。21.如权利要求1所述的方法，其中所述半导体衬底包含硅。22.一种用于形成具有至少约为0.25的品质因数(ZT)的热电元件的方法，所述方法包括：(a)在包括蚀刻溶液的反应空间中提供半导体衬底；(b)将至少约为0.1mA/cm2的电流密度的电流引导流动至所述半导体衬底；以及(c)在至少约为0.1mA/cm2的所述电流密度下，利用所述蚀刻溶液来蚀刻所述半导体衬底以在所述半导体衬底中形成无序的孔图案，从而形成具有至少约为0.25的所述ZT的所述热电元件，其中所述蚀刻是在(i)不存在金属催化剂和(ii)跨所述半导体衬底和所述蚀刻溶液的电势至少约为1伏(V)的情况下进行的，并且其中在25℃下，所述蚀刻的蚀刻速率至少约为每秒1纳米(nm)。23.如权利要求22所述的方法，其中所述蚀刻速率至少约为每秒10nm。24.如权利要求22所述的方法，其中所述蚀刻速率至少约为每秒100nm。25.如权利要求22所述的方法，其中所述蚀刻速率至少约为每秒1000nm。26.如权利要求22所述的方法，其中所述电流密度至少约为1mA/cm2。27.如权利要求26所述的方法，其中所述电流密度至少约为10mA/cm2。28.如权利要求27所述的方法，其中所述电流密度小于或等于约50mA/cm2。29.如权利要求22所述的方法，其中以所述电流密度的交流电对所述半导体衬底进行蚀刻。30.如权利要求22所述的方法，所述蚀刻溶液包括酸。31.如权利要求30所述的方法，其中所述酸选自HF、HCl、HBr和HI。32.如权利要求30所述的方法，其中所述蚀刻溶液包括醇添加剂。33.如权利要求22所述的方法，其中所述蚀刻是在没有对所述半导体衬底进行照明的情况下进行的。34.如权利要求22所述的方法，还包括在(c)之后对所述半导体衬底进行退火。35.如权利要求22所述的方法，还包括，在(c)之前，将所述蚀...

【专利技术属性】
技术研发人员：阿克拉姆·I·布卡伊，道格拉斯·W·谭，梁海帆，
申请(专利权)人：西里兹姆能源公司，
类型：发明
国别省市：美国;US