热电转换元件及热电转换模块制造技术

本发明专利技术提供能够有效利用具有高塞贝克系数的氧化物材料并显著提高其输出的热电转换元件和热电转换模块。本发明专利技术提供热电转换元件和利用该热电转换元件的热电转换模块，该热电转换元件至少包括：电荷传输层、热电转换材料层和电极，其中，所述电荷传输层包括石墨，该石墨被处理为掺杂有电荷供给材料，从而所述石墨具有n型半导体特性，或所述石墨被处理为掺杂有电荷接受材料，从而所述石墨具有p型半导体特性。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】热电转换元件及热电转换模块
本专利技术涉及热电转换元件及热电转换模块。
技术介绍
热电转换元件称为清洁能源转换元件，其不使用石油或臭氧，并且近年来期望更有效、面积更大和更薄。例如，已开发利用塞贝克效应的发电元件(热电转换发电元件)和利用珀尔帖效应的冷却/加热元件(珀尔帖元件)。这样的热电转换元件的结构和原理说明如下。图3为用于说明以往的热电转换元件的结构的概念图。图3示出的以往的热电转换元件100通常被称为π型热电转换元件，并包括：多个相对的电极(金属电极)120、121和180；以及在电极之间布置的由n型热电半导体制成的块体130和由p型热电半导体制成的块体131。块体130和131在其一侧的端部(连接端)通过电极180彼此电连接，且n型热电转换半导体的块体和p型热电转换半导体的块体串联连接。块体130和131在其另一侧的端部分别与电极120和121连接。在该配置中，通过使电极180的温度高且相对的电极120、121的温度低，它们之间将产生温度差，热能通过塞贝克效应转换为电能。此外，例如，通过在电极180和电极120、121之间施加直流电压，并通过使电流从电极120经由电极180向电极121方向流过，电极180能够起到吸热工作电极的作用，电极120、121能够起到放热工作电极的作用，并且电能通过珀尔帖效应转换为热能。其中，在以往的热电转换元件被用作珀尔帖元件的情形中，吸热能量被考虑。在电极180的上表面的吸热能量Q用如下等式(1)表示：Q＝QP-QR-QK(1),其中，QP为珀尔帖吸热量，QR为焦尔热量，QK为导热量(见图3)。目前，实践中运用的热电转换元件的元件结构为具有横截面积S约几平方毫米且长度L约几毫米的块形。将上述形状串联连接而模块化的多重块体，以及吸热面积(冷却面积)通过模块化被扩大的热电转换元件(珀尔帖元件)已投入实践运用。然而，由于这样的π型热电转换元件的长度L约为几毫米，因而从热源放出的热量直接影响低温部分的电极，因此难以保证电极之间的温度差。此外，其形状是刚性的，难以使电极部分紧贴热源或冷却源，因而存在难以保证电极之间的温度差的问题。为了克服上述问题，最近开始活跃地开发片式热电转换元件，即如下的元件：如图2所示，将热电转换材料形成于柔性绝缘片上并在该片的两端表面上形成高温电极和低温电极(例如，见非专利文献1)。这种片式热电转换元件具有能够在一个平面上使高温电极和低温电极之间保持预定距离的结构，因而低温电极能够避免从热源直接放出的热量的影响，由此具有易于保证电极之间温度差的优点。此外，柔性片的使用使电极部分能紧贴热/冷却源，因而也易于保证电极之间的温度差。现有技术文献非专利文献1：YoshiyukiNonoguchi,KenjiOhashi,RuiKanazawa,KojiAshiba,KenjiHata,TetsuyaNakagawa,ChihayaAdachi,TomoakiTanaseandTsuyoshiKawai,"SystematicConversionofSingleWalledCarbonNanotubesinton-typeThermoelectricMaterialsbyMolecularDopants",ScientificReports,2013年11月26日出版，第3卷，文章编号：3344,doi:10.1038/srep03344.
技术实现思路
然而，在片式热电转换元件中，由于其元件结构中热电转换材料层的厚度较薄且高温电极和低温电极之间的距离较长，存在热电转换材料层的内阻增大的问题，因而难以获得大的输出。此外，以往的热电转换元件被开发为同时具有热电转换材料的三种特性，该三种特性为高塞贝克系数(热电势)、高电导率和低热导率。但是，难以获得同时满足上三种特性的材料，特别是，如果利用具有高电导率的热电转换材料来改善热电转换材料层的内阻，塞贝克系数将会下降，其结果是存在难以获得大的输出的问题。根据本专利技术，可以提供一种热电转换元件，该热电转换元件至少包括：电荷传输层、热电转换材料层和电极，其中，所述电荷传输层包括被处理为掺杂有电荷供给材料从而具有n型半导体特性的石墨，或被处理为掺杂有电荷接受材料从而具有p型半导体特性的石墨。此外，根据本专利技术，n型热电转换元件可以包括至少：n型电荷传输层、n型热电转换材料层和电极，其中，所述n型电荷传输层包括被处理为掺杂有电荷供给材料从而具有n型半导体特性的石墨，并且所述n型热电转换材料层形成于所述n型电荷传输层的两端，所述电极形成于所述n型热电转换材料层的上部。此外，根据本专利技术，p型热电转换元件至少可以包括：p型电荷传输层、p型热电转换材料层和电极，其中，所述p型电荷传输层包括被处理为掺杂有电荷接受材料从而具有p型半导体特性的石墨，并且所述p型热电转换材料层形成于所述p型电荷传输层的两端，所述电极形成于所述p型热电转换材料层的上部。此外，根据本专利技术，所述热电转换元件中的电荷供给材料可以包括由以下组成的组中的至少一者：四硫富瓦烯(TTF)、四甲基四硫富瓦烯(TMTTF)、双亚乙基二硫醇四硫代富瓦烯(BEDT-TTF)、四硒富瓦烯(TDF)、三苯基膦(TPP)、三甲氧基苯基膦(MeO-TPP)、三氟化三苯基膦(F-TPP)、二苯基膦(DPP)、双二苯基膦乙烷(DPPE)、双二苯基膦丙烷(bis-diphenylphosphino-propane，DPPP)、胺、聚胺、聚乙烯亚胺、碳酸钠、碳酸锂、碳酸钾、酞菁铜、酞菁锌等，以及它们的衍生物。此外，根据本专利技术，所述热电转换元件中的电荷接受材料可以包括由以下组成的组中的至少一者：四氰基对苯二醌二甲烷(tetracyanoquinodimethane，TCNQ)、四氟四氰基对苯二醌二甲烷(TCNQF4)、二环戊基二甲氧基硅烷-二氰基苯醌(dicyclopentyldimethoxysilane-dicyanobenzoquinone，DDQ)、三硝基芴酮(TNF)、二硝基芴酮(DNF)、咔唑、4-羟基咔唑(9H-carbazole-4ol)、2-羟基咔唑(2-hydroxy-9H-carbazole)、苯硼酸、吡啶、喹啉、咪唑、三苯胺等，以及它们的衍生物。此外，根据本专利技术，所述热电转换元件中的热电转换材料层可以包括碳纳米管、Bi-Te基化合物、氧化物中的至少一者，或它们的组合。此外，根据本专利技术，所述热电转换元件中的热电转换材料层可以包括n型碳纳米管、n型Bi-Te基化合物、n型氧化物中的至少一者，或它们的层压结构。此外，根据本专利技术，所述热电转换元件中的热电转换材料层可以包括p型碳纳米管、p型Bi-Te基化合物、p型氧化物中的至少一者，或它们的层压结构。此外，根据本专利技术，提供如下的热电转换元件：其中所述n型热电转换元件和所述p型热电转换元件串联连接。此外，可以通过多个所述热电转换元件串联连接、并联连接、或串并联组合连接而提供热电转换模块。此外，根据本专利技术，热电转换模块可以包括串联连接、并联连接或串并联组合连接的至少一个上述n型热电转换元件和至少一个上述p型热电转换元件。此外，根据本专利技术，所述热电转换元件还包括绝缘基板，其中，所述绝缘基板可以是通过将两块第二基板结合于第一基板的两端而形成的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种热电转换元件，该热电转换元件至少包括：电荷传输层、热电转换材料层和电极，其中，所述电荷传输层包括被处理为掺杂有电荷供给材料从而具有n型半导体特性的石墨，或被处理为掺杂有电荷接受材料从而具有p型半导体特性的石墨。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.09.04 JP 2015-1747551.一种热电转换元件，该热电转换元件至少包括：电荷传输层、热电转换材料层和电极，其中，所述电荷传输层包括被处理为掺杂有电荷供给材料从而具有n型半导体特性的石墨，或被处理为掺杂有电荷接受材料从而具有p型半导体特性的石墨。2.一种n型热电转换元件，该n型热电转换元件至少包括：n型电荷传输层、n型热电转换材料层和电极，其中，所述n型电荷传输层包括被处理为掺杂有电荷供给材料从而具有n型半导体特性的石墨，并且所述n型热电转换材料层形成于所述n型电荷传输层的两端，所述电极形成于所述n型热电转换材料层的上部。3.一种p型热电转换元件，该p型热电转换元件至少包括：p型电荷传输层、p型热电转换材料层和电极，其中，所述p型电荷传输层包括被处理为掺杂有电荷接受材料从而具有p型半导体特性的石墨，并且所述p型热电转换材料层形成于所述p型电荷传输层的两端，所述电极形成于所述p型热电转换材料层的上部。4.根据权利要求1或2所述的热电转换元件，其中，所述电荷供给材料包括由以下组成的组中的至少一者：四硫富瓦烯(TTF)、四甲基四硫富瓦烯(TMTTF)、双亚乙基二硫醇四硫代富瓦烯(BEDT-TTF)、四硒富瓦烯(TDF)、三苯基膦(TPP)、三甲氧基苯基膦(MeO-TPP)、三氟化三苯基膦(F-TPP)、二苯基膦(DPP)、双二苯基膦乙烷(DPPE)、双二苯基膦丙烷(DPPP)、胺、聚胺、聚乙烯亚胺、碳酸钠、碳酸锂、碳酸...

【专利技术属性】
技术研发人员：中弥浩明，
申请(专利权)人：中弥浩明，
类型：发明
国别省市：日本,JP