一种热电元件及其制备方法和热电器件技术

本发明专利技术提供了一种热电元件，包括热电层、阻挡层和电极层，所述阻挡层位于所述热电层和所述电极层之间，所述阻挡层的材质包括单质铝或铝合金，所述热电层和所述电极层的热膨胀系数为15×10

A thermoelectric element, its preparation method and thermoelectric device

【技术实现步骤摘要】
一种热电元件及其制备方法和热电器件
本专利技术涉及热电转换
，特别涉及一种热电元件及其制备方法和热电器件。
技术介绍
热电材料是一种依据内部特殊结构在不借助其他外部设备情况下既能用热能发电，又能用电能实现热能转换的新型材料。由热电材料制成的元件及器件具有体积小、重量轻、结构简单等许多优点，在绿色环保能源工程和制冷技术工程方面有广阔的应用前景。目前热电器件技术发展还很不完善，热电材料和电极材料的选择是首先必须面对的难题。对于低温热电材料大多采用铜作为电极材料，但对于中高温热电材料，由于使用温度的提高，在高温时效过程中铜与热电材料基体在连接界面反应严重，严重影响了热电材料的性能，增大了接触电阻，因此，需要在电极与热电材料基体之间增加阻挡层，从而防止电极与热电材料基体发生扩散反应。热电器件中阻挡层材料要求具有以下特性：(1)在使用温度范围内与热电材料基体、电极无严重的相互扩散或化学反应，从而保证服役过程中热电材料的热电效率以及电极的电导效率；(2)具有高的电导率和热导率，以最大程度进行电导和热传递；(3)热膨胀系数要与热电材料基体和电极相匹配，以防止热应力导致微裂纹从而产生较大的接触电阻降低器件功率；(4)在使用温度范围内还要有一定的抗氧化性。目前，许多研究利用镍、钛等金属作为阻挡层材质，但热电材料基体与阻挡层之间还是会存在严重的扩散现象，并且在使用过程中界面扩散逐渐加大，甚至出现裂纹，影响热电材料的性能，从而导致热电器件性能降低。因此，目前亟需一种界面结构稳定、结合强度高、热电性能优异的热电器件。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术提供了一种热电元件，包括热电层、阻挡层和电极层，阻挡层位于热电层和电极层之间，阻挡层的材质包括单质铝或铝合金，热电层和电极层的热膨胀系数为15×10-6/℃-25×10-6/℃；阻挡层的热膨胀系数与热电层和电极层的热膨胀系数相近，使得各界面之间无裂纹出现、结合强度高、界面结构稳定，有利于保持热电元件和热电器件的热电转换效率和稳定性，提高了热电元件和热电器件的使用寿命。第一方面，本专利技术提供了一种热电元件，包括热电层、阻挡层和电极层，所述阻挡层位于所述热电层和所述电极层之间，所述阻挡层的材质包括单质铝或铝合金，所述热电层和所述电极层的热膨胀系数为15×10-6/℃-25×10-6/℃。在本专利技术中，所述热电层和所述电极层的热膨胀系数可以相同，也可以不同，对此不作限定。可选的，所述热电层的热膨胀系数为17×10-6/℃-24×10-6/℃或20×10-6/℃-23×10-6/℃。可选的，所述电极层的热膨胀系数为17×10-6/℃-24×10-6/℃或20×10-6/℃-23×10-6/℃。可选的，所述铝合金中铝元素的质量含量大于50％。进一步的，所述阻挡层的材质还包括钛、钼、钨、钽和铌中的至少一种。在本专利技术中，铝作为阻挡层中唯一成分或主要成分，可以阻隔热电层和电极层直接接触造成的扩散；同时，铝具有高的热导率和电导率，延展性好，且与热电层和电极层的热膨胀系数相近，保证了热电元件在使用过程中各个界面之间无裂纹出现、界面结构稳定。可选的，所述热电层的材质包括N型热电材料和P型热电材料。可选的，所述热电层包括镁锗锡基热电层、碲化铋基热电层、锑化钴基热电层、硅锗合金基热电层和半休氏勒合金基热电层中的至少一种。可选的，所述镁锗锡基热电层掺杂有Sb、Bi中的一种或两种元素。具体的，所述镁锗锡基热电层可以但不限于为Mg2Ge0.25Sn0.73Bi0.02热电层或Mg2Ge0.25Sn0.74Sb0.01热电层。Mg2Ge0.25Sn0.75基热电材料是适用于中温领域的一类热电材料，其塞贝克系数和功率因子都比较大，在300℃功率因子能够达到4800μW·m-1·K-1；而且它的组成元素储量丰富成本低，并且无毒无害，应用前景好。可选的，所述电极层的材质包括至少一种过渡金属。具体的，所述电极层的材质可以但不限于为铜、钼或镍。可选的，所述阻挡层的厚度为0.1mm-0.4mm。进一步的，所述阻挡层的厚度为0.2mm、0.25mm或0.3mm。可选的，所述热电层的厚度为5mm-15mm。进一步的，所述热电层的厚度为6mm、9.5mm或12mm。可选的，所述电极层的厚度为0.5mm-8mm。进一步的，所述电极层的厚度为1mm、5mm或7.5mm。可选的，所述热电元件包括依次设置在所述热电层一表面的所述阻挡层和所述电极层，或依次设置在所述热电层对称两个表面的所述阻挡层和所述电极层。即，所述热电元件由热电层、阻挡层和电极层组成，或所述热电元件由第一电极层、第一阻挡层、热电层、第二阻挡层和第二电极层组成。其中，所述第一电极层和第二电极层的材质可以相同，也可以不同。所述第一阻挡层和第二阻挡层可以相同，也可以不同。可选的，所述热电元件在服役过程中，所述热电层和所述阻挡层之间会出现第一扩散层，所述电极层和所述阻挡层之间会出现第二扩散层，所述第一扩散层和所述第二扩散层的厚度为1μm-4μm。在本专利技术中，所述热电元件制成时各个界面之间无扩散和裂纹出现；在服役过程中，各界面之间会出现扩散层，但无裂纹出现，且随着服役时间的延长，扩散层厚度不会继续增加。其中，所述第一扩散层和所述第二扩散层中包括了含铝化合物。所述含铝化合物性能稳定，不易继续扩散，从而避免了扩散层厚度的增加。本专利技术第一方面提供了一种热电元件，包括热电层、阻挡层和电极层，所述阻挡层位于所述热电层和所述电极层之间，所述阻挡层的材质包括单质铝或铝合金，所述热电层和所述电极层的热膨胀系数为15×10-6/℃-25×10-6/℃；阻挡层的设置避免了热电层和电极层直接接触时界面之间产生严重扩散现象；阻挡层具有高的热导率和电导率高，延展性好；阻挡层的热膨胀系数与热电层和电极层的热膨胀系数相近，使得各界面之间无裂纹出现、结合强度高、界面结构稳定，保证热电层的热电效率以及电极层的电导效率，有利于保持热电元件和热电器件的热电转换效率和稳定性，提高了热电元件和热电器件的使用寿命。第二方面，本专利技术提供了一种热电元件的制备方法，包括：提供热电层材料、阻挡层材料和电极层材料，并装入模具中，使得所述阻挡层材料位于所述热电层材料和所述电极层材料之间，然后进行烧结处理得到热电元件，其中，所述阻挡层材料包括单质铝或铝合金，所述热电层材料和所述电极层材料的热膨胀系数为15×10-6/℃-25×10-6/℃，所述热电元件包括热电层、阻挡层和电极层，所述阻挡层位于所述热电层和所述电极层之间。可选的，所述铝合金中铝元素的质量含量大于50％。进一步的，所述阻挡层的材质还包括钛、钼、钨、钽和铌中的至少一种。可选的，所述热电层的材质包括N型热电材料和P型热电材料。可选的，所述热电层包括镁锗锡基热电层、碲化铋基热电层、锑化钴基热电层、硅锗合金基热电层和半休氏勒合金基热电层中的至少一种。可选的，所述镁锗锡基热电层掺杂或填充有Sb、Bi中的一种或两种元素。具体的，所述镁锗锡基热电层可以但不限于为Mg2Ge0.25Sn0.73Bi0.02热电层或Mg2Ge0.25Sn0.74Sb0.01热电层。可选的，所述电极层的材质包括至少一种过渡金属。具体的，所述电极层的材质可以但不限于为铜、钼或镍。可选的，所述阻挡层的厚度为0.本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种热电元件，其特征在于，包括热电层、阻挡层和电极层，所述阻挡层位于所述热电层和所述电极层之间，所述阻挡层的材质包括单质铝或铝合金，所述热电层和所述电极层的热膨胀系数为15×10

【技术特征摘要】
1.一种热电元件，其特征在于，包括热电层、阻挡层和电极层，所述阻挡层位于所述热电层和所述电极层之间，所述阻挡层的材质包括单质铝或铝合金，所述热电层和所述电极层的热膨胀系数为15×10-6/℃-25×10-6/℃。2.如权利要求1所述的热电元件，其特征在于，所述铝合金中铝元素的质量含量大于50％。3.如权利要求1所述的热电元件，其特征在于，所述阻挡层的厚度为0.1mm-0.4mm。4.如权利要求1所述的热电元件，其特征在于，所述热电层包括镁锗锡基热电层、碲化铋基热电层、锑化钴基热电层、硅锗合金基热电层和半休氏勒合金基热电层中的至少一种。5.如权利要求1所述的热电元件，其特征在于，所述电极层的材质包括至少一种过渡金属。6.如权利要求1所述的热电元件，其特征在于，所述热电元件包括依次设置在所述热电层一表面的所述阻挡层和所述电极层，或依次设置在所述热电层对称两个表面的所述阻挡层和所述电极层。7.一种热电元件的制备方法，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：敖伟琴，彭淼，余海昭，刘福生，李均钦，张朝华，李煜，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：广东,44