[發(fā)明專利]一種π型CoSb3基熱電轉(zhuǎn)換器件及制備方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200710047055.8
• 申請日: 2007-10-16
• 公開（公告）號: CN101136450A
• 公開（公告）日: 2008-03-05
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李小亞;趙德剛;陳立東;夏緒貴;柏勝強(qiáng);周燕飛;趙雪盈
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號: H01L35/32
• 分類號: H01L35/32;H01L35/08;H01L35/34
• 代理公司: 上海智信專利代理有限公司
• 代理人: 潘振黡

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種π型CoSb₃基熱電轉(zhuǎn)換器件及制備方法，特別涉及銻化鈷熱電材料與電極的連接工藝，屬于熱電器件的制備技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

熱電材料是一種直接將熱能和電能相互轉(zhuǎn)化的功能材料，它利用本身的Seebeck效應(yīng)將熱能直接轉(zhuǎn)化為電能。隨著全球環(huán)境污染和能源危機(jī)的日益嚴(yán)重，使得設(shè)計(jì)和制備熱電器件越來越收到世界各國的重視。由熱電材料制成的制冷和發(fā)電器件體積小，重量輕，無任何機(jī)械傳動部分，工作中無噪聲，使用壽命長，特別適合航天，廢熱余熱發(fā)電，汽車尾氣，地?zé)岬阮I(lǐng)域。

目前，關(guān)于低溫溫差發(fā)電和制冷的熱電器件制備技術(shù)例如碲化鉍等已經(jīng)相當(dāng)?shù)某墒?，多級的熱電器件也已?jīng)并被廣泛的應(yīng)用于商業(yè)生產(chǎn)，如專利文獻(xiàn)CN1839486，US005966939A，US005936192A等。銻化鉆基化合物熱電材料因其特殊的電子結(jié)構(gòu)被認(rèn)為是最有前途的中溫發(fā)電材料，且目前P型或N型的銻化鈷基化合物其熱電優(yōu)值(ZT)都已經(jīng)達(dá)到了1.0以上，顯示出在工業(yè)廢熱，汽車尾氣方面具有廣闊的應(yīng)用前景。由于低溫?zé)犭娖骷ǔ２捎肧n-Pb合金焊料，而在溫度高于80℃時(shí)Sn-Pb合金焊料中的Sn將會擴(kuò)散進(jìn)入熱電半導(dǎo)體，將會形成摻雜或與熱電半導(dǎo)體發(fā)生反應(yīng)從而影響熱電性能，因此作為器件制備中關(guān)鍵技術(shù)的電極連接技術(shù)在中高溫?zé)犭娖骷闹苽渲惺艿搅司薮蟮奶魬?zhàn)。目前銻化鈷基熱電器件高溫電極連接在美國JPL實(shí)驗(yàn)室普遍采用了彈簧壓力接觸的方式，此種壓力接觸的方式界面接觸電阻和接觸熱阻都較大，大大降低了器件整體的發(fā)電性能。由于熱電發(fā)電器件通常尺寸較小，尺寸越小界面帶來的影響就越大，因此中高溫?zé)犭娖骷苽渲懈邷囟穗姌O的直接連接仍然是目前世界各國需要突破的技術(shù)難點(diǎn)。國內(nèi)關(guān)于銻化鈷基熱電器件的研究大量集中在熱電材料的研究，中科院上硅所在銻化鈷基熱電材料的制備和器件制作上做了大量的工作，如專利CN1585145A，US20060017170Al.200710037778.X等。本發(fā)明在擬在先前工作基礎(chǔ)上提供了一種π型銻化鈷基熱電器件及制備方法，高溫端電極選用Mo-Cu合金電極，高溫端連接采用近共晶的Ag-Cu焊片，Mo、W等擴(kuò)散阻擋層通過等離子噴涂形成，熱電器件通過放電等離子燒結(jié)工藝(SPS)焊接而成，而低溫端采用傳統(tǒng)的Sn焊料和陶瓷基板上Cu片錫焊連接。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了一種銻化鈷基熱電器件及制備方法，通過在熱電塊體上等離子噴涂一薄的擴(kuò)散阻擋層，有效的阻擋了熱電半導(dǎo)體器件的一個(gè)或多個(gè)元素的擴(kuò)散，使得器件具有可靠的熱性能。其次擴(kuò)散阻擋層的使用將熱電半導(dǎo)體與金屬電極之間的連接轉(zhuǎn)化為金屬與金屬的連接過程，使得器件的焊接更加簡便。采用的近共晶的Ag-Cu焊片不僅單單能夠滿足銻化鈷基熱電器件高溫端500-600℃的溫度使用范圍，更為其它中溫?zé)犭姴牧掀骷闹苽涮峁┝肆己玫暮附硬牧希姌O材料選用與銻化鈷熱膨脹系數(shù)相近的Mo-Cu合金材料，最大程度的實(shí)現(xiàn)了熱匹配，減少了因熱失配而產(chǎn)生的熱應(yīng)力。

本發(fā)明特色之處在于選擇了合適的電極Mo-Cu材料和高溫的電極焊接材料-近共晶的Ag-Cu焊片，解決了由于高溫端的使用溫度過高而焊接困難的問題，在燒結(jié)的熱電塊體等離子噴涂一層擴(kuò)散阻擋層，不僅在于阻擋熱電材料中元素和焊接材料的相互擴(kuò)散，還在于將金屬與半導(dǎo)體的焊接問題轉(zhuǎn)化成了金屬與金屬的焊接問題，使得利用SPS焊接更易于進(jìn)行，得到的器件焊接的強(qiáng)度也更高。

本發(fā)明提供的銻化鈷基熱電器件的制備方法包含如下步驟：

a)利用SPS制備出P型和N型的CoSb₃基熱電半導(dǎo)體，其具體燒結(jié)參數(shù)為真空度5-15Pa，燒結(jié)壓力為50-60MPa，升溫速率為120-180℃/min，燒結(jié)溫度為580-600℃，然后保溫10-30min，SPS燒結(jié)結(jié)束，得到的CoSb₃基熱電柱體如圖1(a)所示。

b)燒結(jié)好的熱電塊體按照器件優(yōu)化設(shè)計(jì)尺寸要求進(jìn)行線切割，得到P型和N型圓柱形或方形熱電腳，如圖1(b)所示，然后利用噴砂法對其兩個(gè)端面進(jìn)行處理，使其端面獲得一定的表面粗糙度，超聲清理掉端面的雜質(zhì)顆粒，端面如圖2(a)和如圖2(b)所示。