[發(fā)明專利]納米復(fù)合熱電轉(zhuǎn)換材料、其制備方法以及熱電轉(zhuǎn)換元件

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201180053324.6
• 申請(qǐng)日: 2011-11-07
• 公開（公告）號(hào): CN103201865A
• 公開（公告）日: 2013-07-10
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 村井盾哉;木太拓志
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 豐田自動(dòng)車株式會(huì)社
• 主分類號(hào): H01L35/26
• 分類號(hào): H01L35/26;H01L35/34
• 代理公司: 中國(guó)國(guó)際貿(mào)易促進(jìn)委員會(huì)專利商標(biāo)事務(wù)所 11038
• 代理人: 李英

發(fā)明背景

1.發(fā)明領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種納米復(fù)合熱電轉(zhuǎn)換材料，其制備方法以及包含該納米復(fù)合熱電轉(zhuǎn)換材料的熱電轉(zhuǎn)換元件。更具體地，本發(fā)明涉及一種納米復(fù)合熱電轉(zhuǎn)換材料，其具有大的功率因數(shù)，本發(fā)明還涉及制備該納米復(fù)合熱電轉(zhuǎn)換材料的方法，和包含該納米復(fù)合熱電轉(zhuǎn)換材料的熱電轉(zhuǎn)換元件。

2.相關(guān)技術(shù)描述

考慮到全球變暖的問題，為了減少二氧化碳排放量，對(duì)減少?gòu)幕剂汐@取的能源比例的技術(shù)的興趣日益增加。可以直接將未使用的廢熱能轉(zhuǎn)換為電能的熱電材料是這些技術(shù)中的一種。熱電材料是能夠直接將熱轉(zhuǎn)換為電能的材料，使得不需要像熱電站中的兩階段過程，在該兩階段過程中，熱暫時(shí)轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，該動(dòng)能被轉(zhuǎn)換成電能。

從熱到電能的轉(zhuǎn)換通常通過利用由熱電材料形成的塊體（bulk?body）的兩端之間的溫度差來進(jìn)行。由該溫度差產(chǎn)生電壓的現(xiàn)象被稱為塞貝克效應(yīng)，因?yàn)樗怯扇惪税l(fā)現(xiàn)的。熱電材料的該性質(zhì)由如以下公式定義的性能指數(shù)Z表示。

Z=α²σ/κ(=Pf/κ)

這里，α是熱電材料的塞貝克系數(shù)，σ是熱電材料的電導(dǎo)率（電導(dǎo)率的倒數(shù)稱為電阻率），κ是熱電材料的熱導(dǎo)率。功率因數(shù)Pf概括了α²σ項(xiàng)。Z具有溫度的倒數(shù)的量綱，且因此由絕對(duì)溫度T乘以性能指數(shù)Z獲得的ZT是一個(gè)無量綱值。該ZT稱為無量綱性能指數(shù)，并用作指示熱電材料性能的參數(shù)。為了使熱電材料進(jìn)入廣泛使用，該性能且特別是在低溫下的性能必須經(jīng)過更多的改善。正如從上面提供的公式所清楚的，熱電材料性能上的改善需要更低的熱導(dǎo)率κ和更高的功率因數(shù)，而這是通過更高的塞貝克系數(shù)α和更高的電導(dǎo)率σ（更小的電阻率）而實(shí)現(xiàn)的。然而，很難同時(shí)改善所有這些因素，以提供甚至在低的溫度下也能進(jìn)行轉(zhuǎn)化為電能的熱電材料為目的，已多次試圖改善這些熱電材料因素之一。

例如，日本專利申請(qǐng)公開第2004-335796號(hào)（JP-A-2004-335796)描述了一種按如下制備的熱電半導(dǎo)體材料：將包括具有規(guī)定的熱電半導(dǎo)體化合物組成的起始合金的板狀熱電半導(dǎo)體材料堆疊并填充為大約層狀，并且固化和成型為成型體，對(duì)該成型體從垂直于或大約垂直于熱電半導(dǎo)體材料的主堆疊方向的單軸方向進(jìn)行壓制，以便進(jìn)行塑性變形，使得在大約平行于熱電半導(dǎo)體材料的主堆疊方向的單軸方向施加剪切力。具體敘述了用熱電半導(dǎo)體材料可以降低熱導(dǎo)率，為此，通過使用(Bi-Sb)₂Te₃系統(tǒng)的組成作為熱電半導(dǎo)體化合物的化學(xué)計(jì)量組成，并對(duì)該化學(xué)計(jì)量組成添加過剩的Te，來制成起始成型體。然而，JP-A-2004-335796沒有描述納米復(fù)合熱電轉(zhuǎn)換材料。

根據(jù)上文所述的相關(guān)現(xiàn)有技術(shù)，即使熱電半導(dǎo)體材料的熱導(dǎo)率能夠降低，也難以獲得大的功率因數(shù)，且性能指數(shù)上的改善不是令人滿意的。為了實(shí)現(xiàn)熱電轉(zhuǎn)換材料性能上的進(jìn)一步改善，本發(fā)明人已對(duì)涉及分散劑的納米顆粒分散在熱電材料母相中的納米復(fù)合熱電轉(zhuǎn)換材料的發(fā)明提出了專利申請(qǐng)（日本專利申請(qǐng)第2009-285380號(hào))。該納米復(fù)合熱電轉(zhuǎn)換材料能使熱導(dǎo)率顯著降低，但不改變?nèi)惪讼禂?shù)α，因此需要性能指數(shù)的進(jìn)一步改善。

發(fā)明內(nèi)容

鑒于以上所述的問題，本發(fā)明通過相比非取向納米復(fù)合物，改善塞貝克系數(shù)α，提供了一種納米復(fù)合熱電轉(zhuǎn)換材料，其甚至在低的溫度下也具有提高了的功率因數(shù)。本發(fā)明還提供了制備該納米復(fù)合熱電轉(zhuǎn)換材料的方法，以及包含該納米復(fù)合熱電轉(zhuǎn)換材料的熱電轉(zhuǎn)換元件。

在本發(fā)明的一個(gè)方面，提供一種納米復(fù)合熱電轉(zhuǎn)換材料，其中，熱電材料母相的晶粒堆疊為層狀并取向，垂直于該取向方向的晶粒寬度為至少5nm至小于20nm的范圍，且在晶粒邊界分散地存在絕緣性納米顆粒。

在本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供一種納米復(fù)合熱電轉(zhuǎn)換材料的制備方法，該方法包括：通過對(duì)具有分散在熱電材料母相中的絕緣性納米顆粒、并加熱至高于或等于熱電材料軟化點(diǎn)的溫度的材料以至少1℃/分鐘至小于20℃/分鐘的冷卻速率在壓縮下進(jìn)行冷卻，使熱電材料母相的晶粒取向。

根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供通過上述方法獲得的納米復(fù)合熱電轉(zhuǎn)換材料。根據(jù)另一個(gè)方面，本發(fā)明提供一種包含上述納米復(fù)合熱電轉(zhuǎn)換材料的熱電轉(zhuǎn)換元件。

在本發(fā)明中，絕緣性納米顆粒意味著具有不大于100nm，例如不大于50nm且尤其為0.1至10nm范圍的粒徑的絕緣性微粒。垂直于取向方向的晶粒的寬度在本發(fā)明中是指通過如下面實(shí)施例部分中所述的方法確定的任何隨機(jī)選擇的熱電材料母相的晶粒的寬度。此外，本發(fā)明中的取向方向是平行于納米復(fù)合熱電轉(zhuǎn)換材料中的電子傳導(dǎo)方向的方向。