[實用新型]一種碲化鉍基熱電發電器件

有效

• 申請號: 200820154729.4
• 申請日: 2008-10-31
• 公開（公告）號: CN201408783Y
• 公開（公告）日: 2010-02-17
• 發明（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
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本實用新型涉及一種熱電器件，特別是涉及一種密封式、碲化鉍基低溫熱電發電器件，屬熱電轉換技術領域。

背景技術

熱電發電是一種利用半導體材料賽貝克效應實現熱能和電能直接轉換的技術，在太陽能光電-熱電復合發電及工業余廢熱熱電發電等方面有著廣闊的應用前景和潛在的社會、經濟效益。

熱電發電器件是熱電發電技術的關鍵，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、導熱并聯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、導熱并聯焊接在電極上。這種熱電發電器件在實際應用時存在以下問題：1)在潮濕環境中，潮氣在器件內部的空隙中聚集，器件容易發生熱短路，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電器件的使用溫度，又能降低成本。

發明內容

針對以上問題，本實用新型提供了一種不同于現有結構的碲化鉍基熱電發電器件，以克服錫焊器件受使用環境及溫度的限制，而且其制造的廢品率及成本將遠低于現有的等離子的噴涂器件。

本實用新型提供的碲化鉍基熱電發電器件由多孔支撐架、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)多孔支撐架位于上、下兩陶瓷基板之間，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、高溫端電極，及陶瓷基板。這樣構成了導電串聯、導熱并聯的碲化鉍基熱電發電器件。

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，降低了后續工序的工作量和廢品率，也有利于成本的降低。

多孔支撐架由耐高溫樹脂制成，這種樹脂的商品名為PBB。

陶瓷基板為高熱導率的氧化鋁、氮化鋁陶瓷片，其厚度為0.2mm～0.5mm。

低溫端電極為銅片，其厚度為0.2mm～0.4mm，采用燒結的方法制備在陶瓷基板上。

P/N型元件為P/N型碲化鉍基區熔或者燒結材料切割而成。

阻擋層為鎳層，厚度為5～50μm，采用電鍍或者火焰噴涂方法涂覆在P/N型元件上。

高溫端電極為鋁或者鋁合金，采用火焰噴涂或者電弧噴涂方法制備在阻擋層上，厚度0.2mm～0.8mm。

附圖說明