[發明專利]納米結構多孔熱電發生器

在審

• 申請號: 201580056464.7
• 申請日: 2015-09-08
• 公開（公告）號: CN107074666A
• 公開（公告）日: 2017-08-18
• 發明（設計）人: J·卡貝利
• 申請（專利權）人: 莫西克里克科技股份有限公司
• 主分類號: C04B35/64
• 分類號: C04B35/64;H01L35/22;H01L35/26;H01L35/34
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所11038
• 代理人: 李躍龍

相關申請的交叉參考

本申請要求2014年9月5日提交的美國臨時專利申請號62/046,434的權益，其經此引用全文并入本文。

關于聯邦資助的研究或開發的聲明

不適用

發明背景

1.技術領域

本總體發明構思涉及熱電材料的制備與使用，更特別涉及制造摻雜型熱電發生器、尤其是摻雜型硅基熱電發生器的方法與工藝。

2.現有技術描述

在存在溫度梯度的情況下表現出塞貝克(Seebeck)和珀爾帖(Peltier)效應的半導體材料可用于由廢熱發電。由一側向另一側移動熱并同時呈現由一側向另一側的電荷的半導體材料可用于冷卻并以珀爾帖現象的形式表現出塞貝克效應。表現出塞貝克和珀爾帖效應的半導體材料的類別在下文中被稱為熱電體或熱電材料。

許多當前的熱電體包含通過金屬連接器連接的交替的P型和N型半導體元件。許多目前的熱電體存在各種缺點，在一些情況下包括高材料成本、高生產成本、制造困難、使用稀有元素、使用潛在致癌或有毒物質以及有限的可成形性。

為了實現高轉化水平，需要高熱電品質因數(ZT)和高工作溫度。

材料的塞貝克系數(S)是響應跨越材料的溫差的感應熱電電壓大小的量度。任選地，高效熱電材料應具有高塞貝克系數、高導電性和低導熱性，并能夠在高溫下運行，意味著其應當具有低熱膨脹系數。參見例如Ci等人,Material Letters 65,1618-1620(2011)。還出現了其它考慮因素。例如為了保持由一側到另一側的高的溫差，低熱膨脹系數、低泊松比和高強度是期望的。期望的是熱電材料易于被加工以構造平面和復雜的網狀物體，其可以裝配至它們可用于回收廢熱的位置。此類熱電材料應當具有性質在于保持相對兩側之間足夠高的溫度差的橫截面，以便有效地產生電壓。同樣期望的是，熱電材料具有高拉伸強度，具有耐熱沖擊性，并且可成型為層以便允許產生電、熱或其它參數的漸變指標——使得一種熱電材料可以充當一系列熱電裝置的基礎。

熱電材料(TEMat)的熱電品質因數ZT是其效率的量度。通過電導率(s)乘以塞貝克系數(S)的平方并除以導熱性(k)或Z＝S2σ/k來計算Z，通過Z乘以絕對溫度(以開爾文為單位)來計算ZT。為了實現高功率因數，因此期望擁有具有低導熱性、高導電性、高塞貝克系數并具有高溫運行能力(即跨越其結構的可持續溫差或DT能力)的TEMat。

但是潛在地利用TEMat's ZT超出了材料科學。成功的利用需要結合脆性材料工程實踐，因為TEMats作為材料類別是非常脆的(即低斷裂韌性)。利用TEMat的高溫能力及其ZT的前提條件是其必須能夠在使用中機械地承受大的DT。這又導致需要該TEMat具有最小熱膨脹系數(CTE)和最大拉伸強度(STen)。最后，從尺寸的角度來看，更大的TEMat組件或“結構(leg)”將提高實現更大DΤ的能力(假定其不會機械失效)；這對實現低溫也是一個重要的問題。

現有技術幾乎無望制造能夠以高獨立DT和吸引人的功率因數在高溫下運行的低成本的厚結構。制造熱電發生器(TEGs)的傳統方法與新方法均存在基本的和看似棘手的挑戰的缺點，如高成本、高CTE、限于薄平面結構、低S、低導電性、低機械強度或使用稀有和昂貴的材料，或其組合。許多這些相同的問題限制了用熱電冷卻器(TECs)實現更低溫度的能力。

此外，熱電材料作為材料類別是非常脆的。因此，還期望能夠制造具有降低的脆性的熱電材料。

用于制造熱電裝置的理想途徑將包括獲得納米尺寸的等軸硅晶粒的方法，所述硅晶粒可以成型為穩固的大的形狀，其具有大的橫截面和納米結構化的形貌，由此實現或促進低CTE、低k值、非常高的s值，獲得高S值和高工作溫度能力。

近來在該領域的許多努力和發展集中于納米線和MEMS，其已經宣告證實了異常高的功率因數，并在將廢熱轉化為電能方面具有高效率。不幸的是，這些結構是昂貴的，并且實際上不能以保持大的獨立或在很大程度上獨立的ΔΤ所需的厚橫截面制得。報道的許多結果使用積極的熱交換設備以保持高ΔΤ。在許多或大多數情況下，也需要這些積極的熱交換設備來限制該ΔΤ以避免該熱電材料的災難性的熱機械故障。

一些熱電發生器使用化合物和元素如碲或稀土金屬——其中許多是稀少的，僅來自很少的地方。對于在北美活動的經營者來說，許多此類材料必須進口(例如大部分稀土金屬目前由中國進口)。期望的是具有不需要的碲、稀土金屬和類似的稀有組分材料的熱電材料。