[發(fā)明專利]一種熱電能量轉(zhuǎn)化的結(jié)構(gòu)

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201510092398.0
• 申請(qǐng)日: 2015-03-02
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104638100A
• 公開(kāi)（公告）日: 2015-05-20
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 蔡理洋
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 蔡理洋
• 主分類號(hào): H01L35/32
• 分類號(hào): H01L35/32;H01L35/16;H01L35/34
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技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及固體的熱電效應(yīng)，特別涉及半導(dǎo)體材料的熱電效應(yīng)，屬于半導(dǎo)體熱電技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

隨著社會(huì)的發(fā)展，能源始終是熱門(mén)話題，當(dāng)前各種新能源都在慢慢被開(kāi)發(fā)，廢熱能的回收利用顯得尤為落后。目前熱電轉(zhuǎn)化的途徑有很多，但是轉(zhuǎn)化效率都很低，沒(méi)有大的實(shí)際意義，其中有一種叫半導(dǎo)體溫差發(fā)電片，其原理就是熱電效應(yīng)中的西伯克效應(yīng)。

在現(xiàn)代固體電子技術(shù)中有五個(gè)熱電效應(yīng)，分別為西伯克(Seebeck)效應(yīng)、帕爾帖(Peltire)效應(yīng)、湯姆遜(Thomson)效應(yīng)、導(dǎo)熱焦耳和熱損失。

由兩種不同的金屬構(gòu)成閉合回路，當(dāng)回路中存在直流電流時(shí)，兩個(gè)接頭之間將產(chǎn)生溫差，這就是帕爾帖效應(yīng)(Peltier?Effect)。它的逆反應(yīng)就是西伯克效應(yīng)(Seebeck?Effect)，即由兩種不同金屬構(gòu)成回路且兩個(gè)接頭存在溫差則回路中將產(chǎn)生持續(xù)電流。通常將西伯克效應(yīng)稱作熱電第一效應(yīng)，帕爾帖效應(yīng)稱作熱電第二效應(yīng)，湯姆遜效應(yīng)稱作熱電第三效應(yīng)。物理學(xué)對(duì)帕爾帖效應(yīng)的解釋是：回路中電荷載體在導(dǎo)體中運(yùn)動(dòng)形成電流，由于電荷載體在不同的材料中處于不同的能級(jí)，并且在流過(guò)兩種材料的交界面時(shí)，當(dāng)電荷載體從高能級(jí)向低能級(jí)運(yùn)動(dòng)時(shí)，便釋放出多余的能量；相反，從低能級(jí)向高能級(jí)運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)從外界吸收能量。能量在兩種材料的交界面以熱的形式吸收或放出，宏觀表現(xiàn)出溫差現(xiàn)象。

費(fèi)米能級(jí)的定義參見(jiàn)固體電子技術(shù)材料，值得關(guān)注的是：一般來(lái)說(shuō)材料中的電荷載體基本上都處于費(fèi)米能級(jí)附近。

西伯克效應(yīng)的發(fā)電原理是在存在溫差的情況下才能將熱能部分轉(zhuǎn)化為電能，效率極低。而已知的改善效率的方法都只是在溫差上做研究，這個(gè)方向?qū)π侍嵘⒉淮蟆Ｒ虼艘^大的提升熱電轉(zhuǎn)化效率，需要從結(jié)構(gòu)上改動(dòng)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明是對(duì)帕爾帖效應(yīng)的補(bǔ)充，帕爾帖效應(yīng)是在兩種不同金屬構(gòu)成的閉合回路通以直流電流，在兩個(gè)接頭之間將產(chǎn)生溫差。

本發(fā)明的特點(diǎn)是：

1、帕爾貼效應(yīng)中的兩種材料兩個(gè)交接點(diǎn)拓展到了三種材料三個(gè)交接點(diǎn)；

2、帕爾帖效應(yīng)中的金屬與金屬的接觸拓展到了金屬與半導(dǎo)體材料的接觸；

3、本發(fā)明結(jié)構(gòu)能將熱能直接轉(zhuǎn)化為電能，實(shí)現(xiàn)發(fā)電和制冷的功能；

4、本發(fā)明結(jié)構(gòu)不需要所述溫差發(fā)電的溫差條件。

發(fā)明方案

本發(fā)明是一種可實(shí)際制造的示意結(jié)構(gòu)，所述示意結(jié)構(gòu)包括：金屬a材料，金屬b材料，半導(dǎo)體c材料。

所述金屬a材料，具有較高的費(fèi)米能級(jí)，下面簡(jiǎn)稱“金屬a”

所述金屬b材料，具有較低的費(fèi)米能級(jí)，下面簡(jiǎn)稱“金屬b”

所述半導(dǎo)體c材料，具有中等的費(fèi)米能級(jí)，下面簡(jiǎn)稱“半導(dǎo)體c”

以上所述三種材料的費(fèi)米能級(jí)數(shù)值大小關(guān)系為：金屬a>半導(dǎo)體c>金屬b。

所述示意結(jié)構(gòu)是由所述三種材料構(gòu)成的閉合回路結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

所述閉合回路結(jié)構(gòu)中有三個(gè)交接面，分別為：金屬a與半導(dǎo)體c接觸面(簡(jiǎn)化為ac面)、半導(dǎo)體c與金屬b接觸面(簡(jiǎn)化為cb面)、金屬a與金屬b接觸面(簡(jiǎn)化為ab面)。

所述ac面和所述cb面都是肖特基接觸，另外因?yàn)樗鼋饘賏和所述金屬b與半導(dǎo)體c的費(fèi)米能級(jí)大小關(guān)系是相反的，所以所述ac面和所述cb面具有相反的肖特基勢(shì)壘，肖特基勢(shì)壘具有與PN結(jié)相似的特性；所述ab面為金屬接觸。

在所述閉合回路中，通以直流電流，方向如：a→c→b→a。

按照帕爾帖效應(yīng)的分析：所述ac面吸熱、所述cb面吸熱、所述ab面放熱，并且ac面和cb面吸熱的總量等于ab面放熱的量（不考慮其它熱效應(yīng)）。

由于所述ab面是金屬與金屬接觸，阻抗非常小，其帕爾帖效應(yīng)遠(yuǎn)低于半導(dǎo)體材料，所以所述ab面釋放的熱量不明顯，但遵循能量守恒定律，而所述ac面和所述cb面吸收的熱量，會(huì)因?yàn)樗鲩]合回路中的材料電阻而以焦耳熱的形式釋放。

因此所述示意結(jié)構(gòu)不遵循帕爾帖效應(yīng)的一般的熱交換等式，即交接面的吸熱量等于交接面的放熱量。

實(shí)用性

所述示意結(jié)構(gòu)的西伯克效應(yīng)就是其實(shí)際應(yīng)用，也就是本發(fā)明的用途。

將所述ac面和所述cb面置于一般熱源處，則在所述閉合回路中會(huì)產(chǎn)生持續(xù)電流，方向?yàn)椋?a→c→b→a?，并且所述ab面的溫度不會(huì)上升或上升不明顯。

與常規(guī)溫差發(fā)電方式相比，所述示意結(jié)構(gòu)具有能將熱能直接轉(zhuǎn)化為電能的性能，而且還具有能從單一熱源吸取能量的新穎性。

所述金屬a材料有：鎂、鋁、鋅、鐵；

所述金屬b材料有：鎳、銅；