柔性热电发电器及其制造方法技术

本公开提供了一种热电发电器及其制造方法。热电发电器的半导体分支和电极嵌入一个或多个柔性聚合物基体中，从而为半导体分支和电极提供保护，以在弯曲过程中保持它们之间的良好电接触。因此，即使在大量的弯曲循环之后，也可以基本保持热电发电器的输出功率。

Flexible thermoelectric generator and its manufacturing method

【技术实现步骤摘要】
柔性热电发电器及其制造方法
本公开总体上涉及一种热电发电器及其制造方法。
技术介绍
近来，在各种应用中，尤其是当电子设备的电源不能容易地更换或充电时，使用热电发电器进行能量收集以向电子设备提供电力变得越来越普及。热电发电器的输出功率一直是工业上的主要问题，但是在某些应用中，例如可穿戴电子设备中，热电发电器的柔性也变得越来越重要。常规的热电发电器被刚性、笨重且沉重的陶瓷板覆盖。热电发电器难以同时获得高输出功率、长工作时间和良好的柔韧性。通常，当在发电器中使用更多的热电元件时，发电器的柔性和可靠性降低。在基于常规设计的这些方面之间需要权衡。US6,410,971B1公开了一种柔性热电模块，其具有一对柔性基板、导电触点和热电元件。电触头和热电元件介于一对柔性基板之间。然而，在几次弯曲循环之后，在这种结构下，电触头和热电元件之间的连接很容易断开，从而导致输出功率下降，甚至导致模块故障。因此，需要消除或至少减少上述缺点和问题的热电发电器。
技术实现思路
本文提供了一种热电发电器，其包括：热电转换层，所述热电转换层具有第一表面和第二表面并且包括多个p型半导体分支、多个n型半导体分支和具有第一热导率的第一柔性聚合物基体，其中第一表面与第二表面相对，多个p型半导体分支和多个n型半导体分支定义了多个热电偶，并以这样的方式嵌入到第一柔性聚合物基体中：每个p型半导体分支的两端分别暴露于第一表面和第二表面，每个n型半导体分支的两端分别暴露于第一表面和第二表面，并且多个p型半导体分支和多个n型半导体分支被第一柔性聚合物基体隔开；多个第一电极，其位于所述第一表面上并与所述多个热电偶耦合；第一柔性层，其包括具有第二热导率并覆盖多个第一电极和第一表面的暴露区域的第二柔性聚合物基体，第一表面的暴露区域是未被多个第一电极覆盖的区域，使第一表面被多个第一电极和第二柔性聚合物基体覆盖；多个第二电极，其位于所述第二表面上并与所述多个热电偶耦合；以及第二柔性层，其包括具有第三热导率并覆盖多个第二电极和第二表面的暴露区域的第三柔性聚合物基体，第二表面的暴露区域是未被多个第二电极覆盖的区域，使得第二表面被多个第二电极和第三柔性聚合物基体覆盖。在某些实施例中，第二热导率和第三热导率均高于第一热导率。在某些实施例中，第一热导率在0.1W/mK与0.5W/mK之间，第二热导率在0.5W/mK与3W/mK之间，第三热导率在0.5W/mK与3W/mK之间。在某些实施方案中，第一柔性聚合物基体具有包含第一聚合物的组合物，并且第二柔性聚合物基体和第三柔性聚合物基体两者均具有包含第二聚合物和一种或多种填充剂的组合物。在某些实施方案中，第一聚合物是聚二甲基硅氧烷(PDMS)、热塑性聚氨酯(TPU)或乙烯-乙酸乙烯酯共聚物(EVA)，第二聚合物是PDMS、TPU、EVA或聚酰亚胺(PI)。在某些实施例中，一种或多种填充剂是碳化硅(SiC)、氮化硼(BN)、氧化铝(Al2O3)、氮化铝(AlN)、石墨、碳纳米管(CNT)或它们的组合。在某些实施方案中，第一聚合物是PDMS，第二聚合物是PDMS，一种或多种填充剂具有两种填充剂，包括BN和AIN的组合，BN和SiC的组合，或AlN+Al2O3的组合。在某些实施例中，热电发电器的厚度在4.0mm至4.5mm之间，第一柔性层的厚度在1.5mm至1.0mm之间，第二柔性层的厚度在1.5mm至1.0mm之间。在某些实施例中，每个p型半导体分支包括碲化铋(Bi2Te3)、硒化铋(Bi2Se3)、碲化锑(Sb2Te3)、(Bi,Sb)2Te3、锑化铁(FeSb2)、碲化铅(PbTe)、硒化锡(SnSe)或锑化铋(BiSb)，每个n型半导体分支包括Bi2Te3、Bi2Se3、Sb2Te3、(Bi,Sb)2Te3、FeSb2、PbTe、SnSe或BiSb。在某些实施例中，每个p型半导体分支的尺寸为1.2×1.2×2.0mm3，并且每个n型半导体分支的尺寸为1.2×1.2×2.0mm3。在某些实施例中，每个第一电极包括铜(Cu)、银(Ag)、镓铟液态合金(EGaIn)或导电织物，并且每个第二电极包括Cu、Ag、EGaIn或导电织物。在某些实施例中，所述的热电发电器还包括附接在第一柔性层或第二柔性层上的柔性散热层。在某些实施例中，柔性散热层包括超吸收聚合物、冷却织物、吸水纸、相变材料、金属泡沫或导热胶。本文提供了一种用于制造上述热电发电器的方法，该方法包括：将多个p型半导体分支和多个n型半导体分支排列成阵列；在多个p型半导体分支和多个n型半导体分支之间插入第一柔性聚合物基体的溶液；固化第一柔性聚合物基体的溶液，从而形成热电转换层；在第一表面上形成多个第一电极；在多个第一电极和第一表面的暴露区域上形成第一柔性层；在第二表面上形成多个第二电极；在多个第二电极和第二表面的暴露区域上形成第二柔性层。在某些实施例中，形成第一柔性层的步骤包括：将第二柔性聚合物基体的溶液插入到多个第一电极和第一表面的暴露区域上；固化第二柔性聚合物基体的溶液，从而形成第一柔性层。在某些实施例中，形成第二柔性层的步骤包括：将第三柔性聚合物基体的溶液插入多个第二电极和第二表面的暴露区域上；固化第三柔性聚合物基体的溶液，从而形成第二柔性层。本文提供了一种热电发电器，其包括：具有第一表面和第二表面的热电转换层，并且包括多个p型半导体分支、多个n型半导体分支和柔性聚合物基体，其中，第一表面与第二表面相对，多个p型半导体分支和多个n型半导体分支定义了多个热电偶，并以如下方式嵌入到柔性聚合物基体中：每个p型半导体分支的两端分别暴露于第一表面和第二表面，每个n型半导体分支的两端分别暴露于第一表面和第二表面，并且多个p型半导体分支和多个n型半导体分支由柔性聚合物基体隔开；以及多个第一电极柱，其位于第一表面上并平行于热电发电器的第一弯曲轴布置，每个第一电极柱包括多个第一电极和第一柔性层，多个第一电极在至少一个列中被附接在第一柔性层上并且耦合到它们各自的热电耦。在某些实施例中，上述热电发电器还包括：多个第二电极柱，其位于第二表面上并平行于热电发电器的第二弯曲轴布置，每个第二电极柱包括多个第二电极和第二柔性层，多个第二电极在至少一列中附接在第二柔性层上，并且耦接到它们各自的热电偶，第二弯曲轴垂直于第一弯曲轴。在某些实施例中，上述热电发电器还包括：多个第二电极，其位于第二表面上并耦合至多个热电偶；以及覆盖多个第二电极的第二柔性层。本文提供一种用于制造上述热电发电器的方法，该方法包括：将多个p型半导体分支和多个n型半导体分支排列成阵列；在多个p型半导体分支和多个n型半导体分支之间插入柔性聚合物基体的溶液；固化柔性聚合物基体的溶液，从而形成热电转换层；在第一基板层上形成多个第一电极，该第一基板层具有与每个第一柔性层相同的材料和厚度；将第一基板层上的多个第一电极附接至热电转换层的第一表面；沿着第一弯曲轴分离第一基板层，从而形成多个第一电极柱；在第二基板层上形成本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种热电发电器，其特征在于，所述热电发电器包括：/n热电转换层，所述热电转换层具有第一表面和第二表面，并且包括多个p型半导体分支、多个n型半导体分支和具有第一热导率的第一柔性聚合物基体，其中，第一表面与第二表面相对，所述多个p型半导体分支和所述多个n型半导体分支限定了多个热电偶并且以如下的方式嵌入在第一柔性聚合物基体中：每个p型半导体分支的两端分别暴露于第一表面和第二表面，每个n型半导体分支的两端分别暴露于第一表面和第二表面，并且所述多个p型半导体分支和所述多个n型半导体分支被第一柔性聚合物基体隔开；/n多个第一电极，所述多个第一电极位于所述第一表面上并与所述多个热电偶耦合；/n第一柔性层，所述第一柔性层包括具有第二热导率并覆盖所述多个第一电极和第一表面的暴露区域的第二柔性聚合物基体，所述第一表面的暴露区域是未被所述多个第一电极覆盖的区域，使得所述第一表面被所述多个第一电极和所述第二柔性聚合物基体覆盖；/n多个第二电极，所述多个第二电极位于所述第二表面上并与所述多个热电偶耦合；以及/n第二柔性层，所述第二柔性层包括具有第三热导率并覆盖所述多个第二电极和第二表面的暴露区域的第三柔性聚合物基体，所述第二表面的暴露区域是未被所述多个第二电极覆盖的区域，使得所述第二表面被所述多个第二电极和所述第三柔性聚合物基体覆盖。/n...

【技术特征摘要】
20181026 US 62/766,552;20191017 US 16/655,4381.一种热电发电器，其特征在于，所述热电发电器包括：
热电转换层，所述热电转换层具有第一表面和第二表面，并且包括多个p型半导体分支、多个n型半导体分支和具有第一热导率的第一柔性聚合物基体，其中，第一表面与第二表面相对，所述多个p型半导体分支和所述多个n型半导体分支限定了多个热电偶并且以如下的方式嵌入在第一柔性聚合物基体中：每个p型半导体分支的两端分别暴露于第一表面和第二表面，每个n型半导体分支的两端分别暴露于第一表面和第二表面，并且所述多个p型半导体分支和所述多个n型半导体分支被第一柔性聚合物基体隔开；
多个第一电极，所述多个第一电极位于所述第一表面上并与所述多个热电偶耦合；
第一柔性层，所述第一柔性层包括具有第二热导率并覆盖所述多个第一电极和第一表面的暴露区域的第二柔性聚合物基体，所述第一表面的暴露区域是未被所述多个第一电极覆盖的区域，使得所述第一表面被所述多个第一电极和所述第二柔性聚合物基体覆盖；
多个第二电极，所述多个第二电极位于所述第二表面上并与所述多个热电偶耦合；以及
第二柔性层，所述第二柔性层包括具有第三热导率并覆盖所述多个第二电极和第二表面的暴露区域的第三柔性聚合物基体，所述第二表面的暴露区域是未被所述多个第二电极覆盖的区域，使得所述第二表面被所述多个第二电极和所述第三柔性聚合物基体覆盖。


2.根据权利要求1所述的热电发电器，其特征在于，所述第二热导率和所述第三热导率均高于所述第一热导率。


3.根据权利要求1所述的热电发电器，其特征在于，所述第一热导率在0.1W/mK和0.5W/mK之间，所述第二热导率在0.5W/mK和3W/mK之间，所述第三热导率在0.5W/mK和3W/mK之间。


4.根据权利要求1所述的热电发电器，其特征在于，所述第一柔性聚合物基体具有包括第一聚合物的组合物，并且所述第二柔性聚合物基体和所述第三柔性聚合物基体都具有包括第二聚合物和一种或多种填充剂的组合物。


5.根据权利要求4所述的热电发电器，其特征在于，所述第一聚合物是聚二甲基硅氧烷(PDMS)、热塑性聚氨酯(TPU)或乙烯-乙酸乙烯酯共聚物(EVA)，并且所述第二聚合物是PDMS、TPU、EVA或聚酰亚胺(PI)。


6.根据权利要求4所述的热电发电器，其特征在于，所述一种或多种填充剂是碳化硅(SiC)、氮化硼(BN)、氧化铝(Al2O3)、氮化铝(AlN)、石墨、碳纳米管(CNT)或它们的组合。


7.根据权利要求4所述的热电发电器，其特征在于，所述第一聚合物是PDMS，所述第二聚合物是PDMS，所述一种或多种填充剂具有两种填充剂，所述两种填充剂包括BN和AIN的组合、BN和SiC的组合或AlN和Al2O3的组合。


8.根据权利要求1所述的热电发电器，其特征在于，所述热电发电器的厚度在4.0mm至4.5mm之间，所述第一柔性层的厚度在1.5mm至1.0mm之间，并且所述第二柔性层的厚度在1.5mm至1.0mm之间。


9.根据权利要求1所述的热电发电器，其特征在于，每个p型半导体分支包括碲化铋(Bi2Te3)、硒化铋(Bi2Se3)、碲化锑(Sb2Te3)、(Bi,Sb)2Te3、锑化铁(FeSb2)、碲化铅(PbTe)、硒化锡(SnSe)或锑化铋(BiSb)，每个n型半导体分支包括Bi2Te3、Bi2Se3、Sb2Te3、(Bi,Sb)2Te3、FeSb2、PbTe、SnSe或BiSb。


10.根据权利要求1所述的热电发电器，其特征在于，每个p型半导体分支的尺寸为1.2×1.2×2.0mm3，并且每个n型半导体分支的尺寸为1.2×1.2×2.0mm3。


11.根据权利要求1所述的热电发电器，其特征在于，每个第一电极包括铜(Cu)、银(Ag)、镓-铟液态合金(EGaIn)或导电织...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙新颖，王寒，辛见卓，李基凡，
申请(专利权)人：纳米及先进材料研发院有限公司，
类型：发明
国别省市：中国香港;81