[發明專利]通過印刷沉積熱電材料

無效

• 申請號: 201110412824.6
• 申請日: 2011-12-12
• 公開（公告）號: CN102544348A
• 公開（公告）日: 2012-07-04
• 發明（設計）人: C.納馮;M.索里爾
• 申請（專利權）人: 原子能和代替能源委員會
• 主分類號: H01L35/34
• 分類號: H01L35/34;B05D1/02;B05D7/24
• 代理公司: 北京市柳沈律師事務所 11105
• 代理人: 宋莉

技術領域

本發明涉及熱電模塊的生產，更具體地，涉及通過印刷沉積熱電材料層。

背景技術

熱電模塊包括若干個串聯電連接和并聯熱連接的也稱作熱電偶的熱電元件。這樣的模塊的性能取決于使用的熱電材料和模塊的幾何形狀。

通常選擇在模塊的運行溫度下具有高品質因數ZT的熱電材料。所述品質因數記作：

ZT=σ·S2λT,]]>

其中，σ為電導率，S為澤貝克(Seebeck)系數，λ為熱導率和T為溫度。乘積σ·S²稱作功率因數。

從而，具有良好熱電性質的材料表現出高電導率和澤貝克系數，以及低熱導率。在室溫下，特別引人關注的是基于鉍(Bi)和碲(Te)的合金。

對于每種應用，根據使用模塊的環境，即根據熱條件，優化模塊的幾何形狀。特別地，熱電偶的最佳厚度主要取決于選擇的材料、模塊的熱導率和熱源提供的熱通量。

圖1顯示了對于給定的熱通量(5W.cm^-2)，由模塊產生的電功率隨其熱電偶厚度的變化。在該例子中，最佳厚度是約300μm。對于中等熱通量(低于10W.cm^-2)，觀察到厚度為50μm-500μm時，產生的電功率最大。

存在若干種生產熱電偶的技術。熱電偶的形成可通過源自微電子技術的薄膜沉積法，或本體(bulk)制造法如燒結、切割和組裝技術實現。

薄膜沉積法如PVD或CVD技術不適于形成厚度超過50μm的層。本體技術要求高水平的精度和品質控制，以實現厚度小于500μm的熱電偶。該技術實施繁重，從而變得難于大規模應用。

為了以簡便且可重復的方式生產厚度50μm-500μm的熱電偶，采用了印刷技術，特別是噴墨印刷和絲網印刷。

文獻[Development?of(Bi，Sb)₂(Te，Se)₃-Based?Thermoelectric?Modules?by?a?Screen-Printing?Process，Navone?et?al.，Journal?of?Electronic?Materials，Vol.39，N?9，2010]描述了采用絲網印刷的熱電偶生產。

在第一步驟中，通過混合活性材料粉末、粘結聚合物和溶劑制備油墨。所述粉末包含半導體材料：碲(Te)、鉍(Bi)、銻(Sb)和硒(Se)的顆粒。活性材料的量占油墨重量的76％。選擇聚苯乙烯作為粘結聚合物，其占油墨重量的2％。余量對應于溶劑甲苯。

然后將所述油墨通過絲網印刷以厚度80μm的支柱(leg)形式沉積在由聚萘二酸乙二醇酯(PEN)制成的柔性基材上。接著，通過將溫度升高至60℃數小時，蒸發溶劑。將50MPa的單軸壓力施加在支柱上，以提高顆粒的粘聚和PEN基材上支架的粘附。最后，進行功率473mJ.cm^-2的脈沖激光退火，以除去聚合物，從而提高熱電偶的電導率。

然而，在采用該技術生產的熱電層中，觀察到大的機械應力。在熱處理步驟期間，溶劑的蒸發和聚合物的除去實際上引起了層中顆粒運動(grain?movement)。在熱電偶中可能出現裂紋。而且，熱電偶對某些基材上的脫層敏感。

發明內容

對于提供生產同時具有良好的機械性質和高熱電性能的熱電材料層的方法存在需求。

該需求通過以下趨于得到滿足：制備包含熱電材料、溶劑和粘結聚合物材料的油墨，在基材上沉積油墨層，加熱所述油墨層以蒸發溶劑，壓制所述層并進行熱處理以除去粘結聚合物材料。油墨層的沉積通過在使溶劑到達基材前部分蒸發的條件下加壓噴霧而實現。

附圖說明

其它優點和特征將從以下具體實施方案的描述變得更加明晰，所述具體實施方案僅出于非限制性示例目的給出和通過附圖示出，在所述附圖中：

-前述圖1顯示了由熱電模塊產生的電功率隨熱電偶厚度的變化；

-圖2是說明根據本發明的生產熱電材料層的方法的流程圖；和

-圖3和4分別是通過絲網印刷得到的熱電層和根據本發明方法得到的層的顯微照片。