[發明專利]一種熱電模塊及其制備方法

在審

• 申請號: 201610703927.0
• 申請日: 2016-08-22
• 公開（公告）號: CN107768510A
• 公開（公告）日: 2018-03-06
• 發明（設計）人: 周文斌;張強;范慶霞;周維亞;王艷春;解思深
• 申請（專利權）人: 中國科學院物理研究所
• 主分類號: H01L35/32
• 分類號: H01L35/32;H01L35/34
• 代理公司: 北京智匯東方知識產權代理事務所(普通合伙)11391
• 代理人: 范曉斌,康正德

技術領域

本發明涉及納米材料熱電轉換技術領域，尤其是涉及一種熱電模塊及其制備方法。

背景技術

由P型和N型熱電材料構成的熱電模塊能夠直接實現電能和熱能的相互轉化。在溫差發電方面，熱電模塊能非常有效地將產生于自然熱源(如太陽能或地熱能)的熱能和工業、生活普遍存在的廢熱直接轉換為有價值的電能，實現能源的循環利用。在熱電制冷方面，相比于傳統制冷機，熱電制冷將減少有毒的氯氟化烴及其替代物的使用，并且減少了制冷器的重量、成本及能源消耗。同時，熱電模塊結構簡單、工作時沒有運動的機械組件，也不需要危險的液體、氣體介質，因此工作時安靜、無噪聲、穩定性高且不會帶來污染。在環境污染和能源危機日益嚴重的今天，熱電模塊在溫差發電和熱電制冷等領域具有廣泛的應用前景和很強的現實意義。

發明內容

發明人發現，目前報道較多的熱電模塊有由聚合物、碳納米管、碳納米管/聚合物復合材料構成的柔性熱電模塊。在制備所述柔性熱電模塊時需要分別制備P型和N型熱電腿，然后通過金屬連接線將這些熱電腿進行電串聯，此外，為了降低金屬連接線與熱電腿的接觸電阻，通常會在每條熱電腿上沉積幾十納米的金或銀的頂電極或在熱電腿上抹上銀膠。如此，熱電模塊不僅制備過程繁瑣，而且尺寸也不夠緊湊，發明人還發現，當所述熱電模塊與熱源接觸時，由于熱電腿之間的間隔，會使得這些間隔無法利用熱源，從而限制了對熱源的利用。

同時，發明人進一步發現，在目前的一些報道中，如2011年Crispin研究組利用優化的PEDOT-Tos薄膜作為p型熱電腿，TTF-TCNQ作為n型熱電腿，制備了含有54條熱電腿的全有機熱電模塊，在30K的溫度梯度下其功率密度為0.27μW cm^-2(功率密度為功率除以整個模塊的橫截面積)。2012年Zhu研究組基于n型的金屬配位聚合物poly[Na_x(Ni-ett)]和p型的金屬配位聚合物poly[Cu_x(Cu-ett)]在Al襯底上制備了含有35對熱電偶的全有機熱電模塊，在30K的溫度梯度下功率密度為2.8μW cm^-2。2015年Bazan研究組利用共軛聚電解質/單壁碳納米管(CPE/SWNT)復合薄膜制備了含有8條熱電腿的徑向熱電模塊，可以實現對點熱源的利用，在35K的溫度梯度下產生的功率大小為0.3nW。其中柔性熱電模塊的輸出功率和功率密度較小的原因是因為構成模塊的P型或N型的柔性熱電材料的功率因子不高，因此大大影響了模塊的熱電轉換效率。

因此，本發明的目的在于提供一種熱電模塊，該熱電模塊的制備方法簡單、尺寸緊湊、性能較高，具有較大的輸出功率和功率密度。

本發明的另一個目的在于提供一種熱電模塊的制備方法，該制備方法操作簡單，所制備出的熱電模塊尺寸緊湊、性能較高，具有較大的輸出功率和功率密度。

特別地，本發明提供了一種熱電模塊，包括：

連續的柔性熱電薄膜，其內具有呈現P型材料特性的多個P型平面區域和呈現N型材料特性的多個N型平面區域，所述多個P型平面區域和所述多個N型平面區域沿所述柔性熱電薄膜的延伸方向連續且交替分布；其中，所述柔性熱電薄膜沿所述延伸方向以基本上為“W”狀的折疊形式形成一緊湊的結構，或所述柔性熱電薄膜沿所述延伸方向以同一方向卷繞的折疊形式形成一緊湊的結構，并使得任一對相鄰的P型平面區域和N型平面區域相互面對，從而形成對應的P-N結單元；以及

絕緣隔膜，設置在每一P-N結單元中的相互面對的P型平面區域和N型平面區域之間。

進一步地，每一所述P型平面區域和每一所述N型平面區域具有基本相同的面積和形狀，以使得所述柔性熱電薄膜的相鄰P型平面區域和N型平面區域能基本上相互重疊，并且使所述緊湊的結構的主表面的面積為每一所述N型平面區域或P型平面區域的面積。

進一步地，所述絕緣隔膜具有與所述P型平面區域和所述N型平面區域基本相同的面積和形狀。

進一步地，所述絕緣隔膜是柔性的。

進一步地，所述絕緣隔膜是隔熱的。

進一步地，還包括用于傳輸電信號的兩個電極，所述兩個電極分別位于所述柔性熱電薄膜沿其延伸方向的兩端，且由所述兩端延伸出的部分組成；可選地，所述兩個電極為所述柔性熱電薄膜沿其延伸方向兩端引出的外電極，所述外電極為柔性的或非柔性的。