[發(fā)明專利]熱電器件的制作方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200810207957.8
• 申請日: 2008-12-26
• 公開（公告）號: CN101447548A
• 公開（公告）日: 2009-06-03
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 夏緒貴;李小亞;陳立東;唐云山;趙德剛;莫尼卡.拜克浩斯;何琳
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所;康寧股份有限公司
• 主分類號: H01L35/34
• 分類號: H01L35/34
• 代理公司: 上海專利商標(biāo)事務(wù)所有限公司
• 代理人: 陳 亮

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種熱電器件的制作方法，特別是一種中溫(450～600℃)填充方鈷礦熱電發(fā)電器件的制作方法，屬于熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

熱電發(fā)電是一種利用半導(dǎo)體材料賽貝克效應(yīng)實(shí)現(xiàn)熱能和電能直接轉(zhuǎn)換的技術(shù)，具有長壽命、高可靠及環(huán)境安全等特點(diǎn)，在太陽能光電-熱電復(fù)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(yīng)用前景和潛在的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益。提高熱電發(fā)電能量轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵是提高熱電材料的性能優(yōu)值，因此熱電轉(zhuǎn)換領(lǐng)域大部分研究工作集中在開發(fā)新型高性能熱電材料方面，然而，另一方面，研制開發(fā)新型熱電材料器件對于提高熱電發(fā)電能量轉(zhuǎn)換效率也具有同樣重要的作用。

熱電器件主要由p型、n型兩種熱電半導(dǎo)體元件組成，單個(gè)熱電元件的電壓很低，通常用電極將大量的p型、n型熱電元件按導(dǎo)電串聯(lián)、導(dǎo)熱并聯(lián)連接起來構(gòu)成熱電發(fā)電模塊，以獲得較高的電壓，便于使用。電極材料的選擇及其與熱電元件的結(jié)合是熱電器件制作的關(guān)鍵。目前，低溫碲化鉍基器件已經(jīng)商業(yè)化，通常以銅作電極，采用傳統(tǒng)的釬焊技術(shù)焊接。而對于中高溫器件，電極材料的選擇首先要求其熱膨脹系數(shù)與熱電材料匹配，以盡可能降器件在制作及使用過程中的熱應(yīng)力，避免因熱應(yīng)力過大導(dǎo)致電極焊接失敗或者器件在使用過程中失效；其次要求電極材料具有良好的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率，以降低電極所帶來的電阻和熱阻對器件能量轉(zhuǎn)換效率等性能的不利影響。

填充方鈷礦作為一種新型高性能中溫?zé)犭姴牧暇哂辛己玫膽?yīng)用前景。填充方鈷礦器件低溫端電極焊接借用碲化鉍器件焊接技術(shù)——選用銅作電極材料，采用錫焊技術(shù)焊接。對于填充方鈷礦器件高溫端電極的焊接，從現(xiàn)有報(bào)道的制作方法看，選擇的電極材料有Cu、Mo、Ni-Cr、W、Ta、這些金屬的合金、不銹鋼(US6005182)及Ag、Ag-Au、Ag-Cu、Fe(US6759586)和Nb(US6563039)，采用的電極與方鈷礦材料的結(jié)合方法有銅焊(US6005182、US2002/0024154、CN101114692等)、銀焊(US6759586、US2008/0023057等)、燒結(jié)(US2006/0017170、US6563039、JP11195817等)等。

表1列舉了填充方鈷礦材料和一些金屬材料的熱膨脹系數(shù)、電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率。可以看到，除了Ti、Fe、Ni的熱膨脹系數(shù)與填充方鈷礦接近，其它單質(zhì)金屬的熱膨脹系數(shù)與填充方鈷礦相差較大，而Ti、Fe、Ni的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率比Cu、Mo等小很多。不銹鋼是一種主要由Fe、Cr、Ni等元素組成的合金，其熱膨脹系數(shù)與填充方鈷礦材料最接近。此外還可以觀察到，Mo的熱膨脹系數(shù)比填充方鈷礦材料小，而Cu的熱膨脹系數(shù)比填充方鈷礦大，二者組成合金，可以通過調(diào)整相對比例，使其熱膨脹系數(shù)與填充方鈷礦材料很接近，同時(shí)又能保持Cu、Mo良好的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率；W、Cu也是如此。

當(dāng)前普遍采用的熱電器件的制作方法(例如中國發(fā)明專利申請第200710044771.0號所記載的熱電器件的制造方法)的主要特點(diǎn)是：首先在模具中制備(燒結(jié))熱電材料的塊體，然后在該塊體上進(jìn)行高溫端電極焊接，接著用焊料將低溫端與陶瓷基板進(jìn)行焊接，最后通過切割等步驟獲得π型熱電器件。但，目前的方法不僅步驟復(fù)雜，而且還不可避免地對熱電材料(諸如填充方鈷礦)再次加熱、加壓，惡化熱電材料的性能。因此，迫切需要開發(fā)新的器件制作方法，以簡化熱電器件的制作步驟，消除對熱電材料的不利影響。

表1材料的熱膨脹系數(shù)、電導(dǎo)率及熱導(dǎo)率