一种高性能双段结构热电发电器件及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种高性能双段结构热电发电器件，包括上基板、下基板和至少一个固定设置在上基板与下基板之间的热电单体组件，热电单体组件包括N型热电单体和P型热电单体，N型热电单体和P型热电单体均由两类不同温区的热电粒子沿温度梯度方向组合构成，N型热电单体的高温端与上基板相固定，N型热电单体的低温端与下基板相固定，P型热电单体的高温端与上基板相固定，P型热电单体的低温端与下基板相固定，本发明专利技术还公开了上述高性能双段结构热电发电器件的制备方法和应用，与现有技术相比，本发明专利技术由在不同温区具有优异热电性能的两类热电材料沿温度梯度方向组合构成的双段器件，能够实现不同温区能量转换效率最大化，具有更高的热电转换效率，且能够实现整个温区能量转换效率最大化。换效率最大化。换效率最大化。

【技术实现步骤摘要】
一种高性能双段结构热电发电器件及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于热电转换
，具体涉及一种高性能双段结构热电发电器件及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]随着人类社会对气候变化的关注程度不断增强和对化石能源的过分依赖，更加刺激了世界范围内开发新能源技术的行动。热电转换技术是最简单的可以实现热能和电能直接相互转化的技术，能把太阳能、地热、机动车和工业废热转化成电，反之也能作为热泵实现制冷。热电器件具有全固态、重量轻、结构紧凑、响应快、无运动部件和有害工质等优点。模块化的特点使其易与其他能量转换技术联用，这是21世纪能源应用非常重要的特征，因为没有单一的技术能够满足世界能源的需求。
[0003]目前，热电发电器件根据工作温度主要分为低温器件、中温器件与高温器件，其中低温器件通常采用Bi2Te3材料体系，工作温度在300℃以下；中温器件高温端的工作温度区间在300～600℃之间，以CoSb3器件、PbTe等体系为代表；高温器件工作温度指工作温度在600℃以上，以Half
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Heusler合金、SiGe等材料体系为主。但是单一种类热电材料制备的热电发电器件其最高转换效率都低于10％，例如Bi2Te3基器件约5％，PbTe基器件约7％，CoSb3基器件约8％，Half
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Heusler基合金器件约6％，SiGe基器件约6％。这些热电发电器件不能完全满足工业余废热回收利用等领域的应用需求，主要因为是单一热电材料在整个工作温度区间内的平均热电性能优值值不高。此外，单一材料最大效率对应的温度区间相对较窄，一般不超过200℃，而热电发电器件的实际工作温度区间通常为300～800℃，从而造成单一种类的热电发电器件宽温区内的转换效率不高。理论研究发现，将宽温区沿温度梯度方向分为两个或两个以上的连续区间，在每个温度区间内选用与之对应且具有最佳热电性能的热电材料，构造成的多段结构宽温域热电器件，让每种热电材料都工作在各自热电性能最佳的温度区间，从而显著提高整个宽温区范围内的热电转换效率。
[0004]由于多段结构宽温域热电器件中各段热电材料的电导率和热导率均有较大差异，异质界面连接引起的接触电阻和接触热阻也会增加，同时，各段热电材料的热膨胀系数也存在差异，且在大温差环境下异质界面附近由于热膨胀系数差异造成的残余应力很大，这些都给器件制备带来挑战。目前多段结构热电器件的集成还面临着非常大的工艺难点，主要难度多段结构热电器件的集成焊接多采用一步法烧结扩散焊接工艺，或者采用固态焊片结合热压扩散焊接。但是采用固态扩散焊接工艺对器件的加工、组装精度提出了很高要求，材料的加工公差过大非常容易导致局部焊接强度过低，或者成型器件的尺寸一致性较差；同时固态焊片的定位组装效率也非常低，无法满足工业化大批量生产要求。此外，在多段结构器件集成时，由于不同材料所耐受的温度有很大差异，采用固态扩散焊工艺无法同时满足多级异质界面的同时集成焊接。因此必须开发新型高效、且适用于批量化生产的中高温热电器件集成技术。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种能够实现整个温区能量转换效率最大化，且器件可靠性高的高性能双段结构热电发电器件。
[0006]为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种高性能双段结构热电发电器件，包括上基板、下基板和至少一个固定设置在所述上基板与下基板之间的热电单体组件，所述热电单体组件包括N型热电单体和P型热电单体，所述N型热电单体和所述P型热电单体均由两类不同温区的热电粒子沿温度梯度方向组合构成，所述N型热电单体的高温端与上基板相固定，所述N型热电单体的低温端与下基板相固定，所述P型热电单体的高温端与上基板相固定，所述P型热电单体的低温端与下基板相固定。
[0007]本专利技术的双段结构宽温域热电发电器件，由在不同温区具有优异热电性能的两类热电材料沿温度梯度方向组合构成，能够实现不同温区能量转换效率最大化，具有更高的热电转换效率，且能够实现整个温区能量转换效率最大化。
[0008]作为优选，所述N型热电单体的两类不同温区的热电粒子的材料分别为碲化铋合金和碲化铅合金，所述P型热电单体的两类不同温区的热电粒子的材料分别为碲化铋合金和碲化锗合金。本专利技术采用的上述低中温热电材料在300
‑
600K温度区间内的平均zT值均达到了1.0
‑
1.2之间，具有优异的热电性能。
[0009]本专利技术的第二个目的在于提供一种高性能双段结构热电发电器件的制备方法，所述制备方法具体包括如下步骤：
[0010]S1、尺寸计算：根据目标热电性能确定N型热电单体和P型热电单体的工作温度范围，并计算出N型热电单体和P型热电单体中不同温区的热电材料及高度；
[0011]S2、表面处理：将步骤S1中计算得到的热电材料烧结后按照设计高度加工并完成清洁表面；
[0012]S3、沉积金属连接层：将步骤S2中清洁表面后的热电材料的上下表面分别沉积金属连接层；
[0013]S4、切割：根据设计尺寸将步骤S3中沉积金属连接层后的热电材料进行切割，得到N1热电粒子，N2热电粒子，P1热电粒子，P2热电粒子，其中N1热电粒子的温区＜N2热电粒子，P1热电粒子的温区＜P2热电粒子；
[0014]S5、印刷焊料：在上基板的金属电路层处印刷高温焊料，在下基板的金属电路层处印刷低温焊料，通过定位网板将N1热电粒子间隔定位，其中N1热电粒子的低温端朝向下基板，然后在N1热电粒子的高温端的金属连接层表面印刷中温焊料，再通过定位网板将P1热电粒子间隔定位，其中P1热电粒子的低温端朝向下基板，然后在P1热电粒子的高温端的金属连接层表面印刷中温焊料；
[0015]S6、间隔定位：按照温度梯度分布，通过定位网板将N2热电粒子与N1热电粒子进行间隔定位，得到间隔定位的具有高温端和低温端的N型热电单体；按照温度梯度分布，通过定位网板将P2热电粒子与P1热电粒子进行间隔定位，得到间隔定位的具有高温端和低温端的P型热电单体；
[0016]S7、焊接：采用加压回流焊接得到高性能双段结构热电发电器件。
[0017]本专利技术提出了采用丝网印刷技术将焊接浆料涂敷于热电器件基板电极或者热电材料电极端面，并结合加压回流焊接工艺，实现双段结构热电器件的批量化集成研制；采用
丝网印刷一方面可以实现浆料的高精度自附着，大大简化了组装繁杂程度与定位难度，适用于快速自动化工艺，同时焊接浆料可以实现热电块材与电极焊盘，以及异质材料之间的自适应接触，保证高温下的焊接质量与整体器件尺寸，对于多段器件的一步焊接具有非常显著的优势。
[0018]作为优选，所述步骤S2中，烧结采用放电等离子烧结或热压烧结，且烧结的条件如下：烧结压力为50
‑
100MPa，烧结时间为5
‑
30min；烧结后得到的热电材料的致密度≥95％。
[0019]作为优选，所述步骤S2中，表面处理工艺选自喷砂、酸洗和砂纸抛磨中的一种或多种。表面处理是本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高性能双段结构热电发电器件，其特征在于：包括上基板、下基板和至少一个固定设置在所述上基板与下基板之间的热电单体组件，所述热电单体组件包括N型热电单体和P型热电单体，所述N型热电单体和所述P型热电单体均由两类不同温区的热电粒子沿温度梯度方向组合构成，所述N型热电单体的高温端与上基板相固定，所述N型热电单体的低温端与下基板相固定，所述P型热电单体的高温端与上基板相固定，所述P型热电单体的低温端与下基板相固定。2.如权利要求1所述的高性能双段结构热电发电器件，其特征在于：所述N型热电单体的两类不同温区的热电粒子的材料分别为碲化铋合金和碲化铅合金，所述P型热电单体的两类不同温区的热电粒子的材料分别为碲化铋合金和碲化锗合金。3.一种如权利要求1
‑
2任一所述的高性能双段结构热电发电器件的制备方法，其特征在于，所述制备方法具体包括如下步骤：S1、尺寸计算：根据目标热电性能确定N型热电单体和P型热电单体的工作温度范围，并计算出N型热电单体和P型热电单体中不同温区的热电材料及高度；S2、表面处理：将步骤S1中计算得到的热电材料烧结后按照设计高度加工并完成清洁表面；S3、沉积金属连接层：将步骤S2中清洁表面后的热电材料的上下表面分别沉积金属连接层；S4、切割：根据设计尺寸将步骤S3中沉积金属连接层后的热电材料进行切割，得到N1热电粒子，N2热电粒子，P1热电粒子，P2热电粒子，其中N1热电粒子的温区＜N2热电粒子，P1热电粒子的温区＜P2热电粒子；S5、印刷焊料：在上基板的金属电路层处印刷高温焊料，在下基板的金属电路层处印刷低温焊料，通过定位网板将N1热电粒子间隔定位，其中N1热电粒子的低温端朝向下基板，然后在N1热电粒子的高温端的金属连接层表面印刷中温焊料，再通过定位网板将P1热电粒子间隔定位，其中P1热电粒子的低温端朝向下基板，然后在P1热电粒子的高温端的金属连接层表面印刷中温焊料；S6、间隔定位：按照温度梯度分布，通过定位网板将N2热电粒子与N1热电...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭哲，蒋俊，谈小建，吴港，张强，张宗委，吴洁华，胡皓阳，孙鹏，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：