[發(fā)明專利]一種碲化鉍基熱電發(fā)電器件及其制造方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200810040956.9
• 申請日: 2008-07-24
• 公開（公告）號: CN101409324A
• 公開（公告）日: 2009-04-15
• 發(fā)明（設計）人: 李小亞;陳立東;夏緒貴;唐云山;陶順衍;吳燕青;魯瑞平
• 申請（專利權）人: 中國科學院上海硅酸鹽研究所;上海申和熱磁電子有限公司
• 主分類號: H01L35/32
• 分類號: H01L35/32;H01L35/08;H01L35/34
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技術領域

本發(fā)明涉及一種熱電器件的制造方法，特別是一種密封式、碲化鉍基低 溫熱電發(fā)電器件的制造方法，屬熱電轉(zhuǎn)換技術領域。

背景技術

熱電發(fā)電是一種利用半導體材料賽貝克效應實現(xiàn)熱能和電能直接轉(zhuǎn)換的 技術，在太陽能光電一熱電復合發(fā)電及工業(yè)余廢熱熱電發(fā)電等方面有著廣闊 的應用前景和潛在的社會、經(jīng)濟效益。

熱電發(fā)電器件是熱電發(fā)電技術的關鍵，主要由P型、N型兩種半導體材 料制成的熱電元件組成，單個熱電元件的電壓很低，通常需將大量的P型、 N型熱電元件按導電串聯(lián)、導熱并聯(lián)方式連接構成熱電器件，以獲得較高的 電壓，便于使用。

圖1所示的是典型的碲化鉍基低溫熱電器件，由P/N型元件、電極、陶 瓷基板組成。制造步驟為：1)切割設計尺寸的P/N型元件；2)將電極制備 在陶瓷基板上；3)將用焊錫P/N型元件按導電串聯(lián)、導熱并聯(lián)焊接在電極 上。這種熱電發(fā)電器件在實際應用時存在以下問題：1)在潮濕環(huán)境中，潮氣 在器件內(nèi)部的空隙中聚集，器件容易發(fā)生熱短路，使輸出功率大大降低；2) 在使用過程中，器件因高溫下焊錫脫落而失效，器件的使用溫度范圍受焊錫 熔點的限制，不能充分發(fā)揮碲化鉍基材料的潛力。

針對上述問題，美國專利(US5875098)提供了一種如圖2所示的碲化 鉍基熱電發(fā)電器件，由P/N型元件、鉬阻擋層、鋁電極、高溫有機材料多孔 柵格筐、電絕緣薄膜組成。美國專利(US5856210)公布了這種器件的制造 方法，其步驟為：1)制造高溫有機材料多孔柵格筐；2)切割P/N型元件， 并裝入柵格筐中；3)等離子噴涂金屬鉬作為阻擋層，噴涂金屬鋁作為電極； 4)研磨直到露出柵格；5)貼上電絕緣薄膜。柵格消除了元件之間的間隙， 鋁的熔點遠高于器件的使用溫度，因而很好地克服器件受潮濕環(huán)境使用及焊 錫熔點的限制。然而，這種器件的制造成本很高，遠高于錫焊器件的成本， 因為：1)金屬鉬阻擋層和鋁電極采用等離子噴涂，噴涂的溫度高，熱量在柵 格筐上聚集，導致柵格筐溫度升高而變形，增加了后道工序——磨平的工作 量，變形嚴重的會導致器件報廢，降低器件成品率；2)等離子噴涂設備造價 昂貴，且運行費用高，噴涂一定厚度的電極往往需要噴涂幾十遍，成本是相 當高的。

錫焊方法制備的碲化鉍基發(fā)電器件使用溫度受到限制，而等離子噴涂制 備的器件成品率低，成本很高，因而其大規(guī)模應用受到高成本的限制。因此， 迫切需要提出一種方法，既能提高碲化鉍基發(fā)電器件的使用溫度，又能降低 成本。

發(fā)明內(nèi)容

針對以上問題，本發(fā)明提供了一種不同于現(xiàn)有結構的碲化鉍基熱電發(fā)電 器件及其制造方法，以克服錫焊器件受使用環(huán)境及溫度的限制，而且其制造 的廢品率及成本將遠低于現(xiàn)有的等離子的噴涂器件。

本發(fā)明提供的碲化鉍基熱電發(fā)電器件是由多孔支撐架、P/N型碲化鉍基 元件、阻擋層、焊錫層、低溫端電極和陶瓷基板、密封膠及高溫端噴涂電極 和陶瓷基板組成。其特點在于：(1)低溫端電極燒結在陶瓷基板上，低溫端 電極的圖形與多孔支撐架的孔相配合，當多孔支撐架放在陶瓷基板上時，低 溫端電極全部位于相配合的多孔支撐架的孔中；(2)多孔支撐架位于在陶瓷 基板上，低溫端電極、P/N型元件位于支撐架的孔中；(3)在低溫端電極與 P/N型元件之間依次有焊錫層、阻擋層，焊錫層將P/N型元件與低溫端電極 結合在一起，阻擋層阻止焊錫原子向碲化鉍基材料擴散，以免惡化碲化鉍基 材料的性能；(4)密封膠位于多孔支撐架與陶瓷基板之間，將其縫隙密封； (5)在P/N型元件的另一端依次有阻擋層、高溫端噴涂電極，及陶瓷基板。 這樣構成了導電串聯(lián)、導熱并聯(lián)的碲化鉍基熱電發(fā)電器件。

多孔支撐架消除了P/N型元件之間的間隙，克服了器件受使用環(huán)境的限 制，高溫端電極克服了器件受使用溫度的限制。阻擋層采用電鍍或者火焰噴 涂的方法制備，高溫端電極的制備采用火焰噴涂或者電弧噴涂，其成本大大 低于等離子噴涂，而且器件噴涂過程中受熱變形遠小于等離子噴涂，降低了 后續(xù)工序的工作量和廢品率，也有利于成本的降低。

本發(fā)的碲化鉍基熱電發(fā)電器件制造方法包括：多孔支撐架制備、元件制 備、裝入元件、冷端電極錫焊、熱端電極噴涂及噴涂面研磨等六個步驟。

下面結合附圖對制造方法進行詳細說明：