[發明專利]熱電器件電極及其制備方法和熱電器件

在審

• 申請號: 201710664264.0
• 申請日: 2017-08-04
• 公開（公告）號: CN107665943A
• 公開（公告）日: 2018-02-06
• 發明（設計）人: 劉福生;劉斌;李均欽;敖偉琴;張朝華
• 申請（專利權）人: 深圳大學
• 主分類號: H01L35/02
• 分類號: H01L35/02;H01L35/08;H01L35/34
• 代理公司: 深圳中一專利商標事務所44237
• 代理人: 左光明

技術領域

本發明屬于熱電轉換技術領域，具體的是涉及一種熱電器件電極及其制備方法和熱電器件。

背景技術

熱電發電是利用半導體熱電轉換材料將材料兩端的溫差(熱能)轉化成電能的全靜態發電方法，是一種環境友好型的綠色能源技術，對于緩解當前日益增長的不可再生的能源消耗壓力和污染問題有著重大意義。該發電系統具有性能可靠、結構緊湊、無運動部件、無噪聲、無泄漏、無磨損、移動性強等的特點，適用于汽車尾氣廢熱和工業廢熱等的回收利用。

Half-Heusler基熱電材料是一種具備優良熱電性能(ZT～1)的中高溫(600～800℃)熱電材料之一，其組成元素兼具廉價、比重小及環境友好等特點，適用于中高溫熱電發電及廢熱回收等領域，研究人對half-Heusler熱電材料的ZT值的提高進行了大量的研究。近年來，通過摻雜取代來形成納米第二相、利用質量起伏或者能量過濾效應，增強聲子散射來降低熱導率，提高熱電性能。到目前為止，這一體系N型ZrNiSn和P型FeNbSb在中高溫段(600-800℃)ZT值最高分別達到1.2和1.5。HH合金ZT值的不斷提高，為HH熱電器件的應用奠定了基礎。

高效率的half-Heusler熱電轉換器件目前不能大規模制造的主要問題在于電極的設計與制備和器件的整體封裝。電極是用來連接n、p型熱電材料兩端，構成電流傳輸回路的重要組成部分。Half-heusler中高溫熱電器件通常工作在600～800℃，因此，電極材料以及其與熱電材料的連接界面的穩定、熱膨脹系數的匹配、界面電阻和熱阻等都將對器件的性能和可靠性產生不可忽視的影響。Joshi G利用熱壓直接連接Ag電極、Ag/Incusil釬料與P-type Hf_0.5Zr_0.5CoSn_0.2Sb_0.8、N-type Ti_0.6Hf_0.4NiSn，其獲得的連接界面反應嚴重，Ag及Incusil釬料的擴散深度約為4μm、40μm，接觸電阻率大于50μΩ·cm²，該研究認為界面連接處嚴重的擴散反應是造成接觸電阻率上升的主要原因。為了解決該問題，有人利用熱壓法實現了Ti與P-Hf_0.5Zr_0.5CoSb_0.8Sn_0.2、N-Ti_0.6Hf_0.4NiSn的連接。這一連接界面處擴散層厚度<100，接觸電阻率～1μΩ·cm²，連接處強度～50MPa。該研究認為Ti與half-Heusler基熱電材料有很好的熱匹配，同時，其形成的擴散層沒有對HH的性能產生影響同時又提高連接的強度以及阻止了Ti元素的進一步擴散，但該研究并未對擴散層結構及成分進行分析，也未進一步考核該連接的熱穩定性，只是單次測試了器件的輸出性能。經過測試發現，采用Ti與half-Heusler基熱電材料連接，雖然在服役初期擴散現象不明顯，但是隨著服役時間的延長，Ti與half-Heusler連接界面擴散現象嚴重，擴散層厚度增加，導致界面接觸電阻率增大，導致熱電器件性能不穩定。

發明內容

本發明的目的在于克服現有技術的上述不足，提供一種熱電器件電極及其制備方法，以解決現有熱電器件電極隨著服役時間的延長導致擴散層的厚度隨之增大，而導致界面接觸電阻的增大，降低熱電材料性能導致熱電器件穩定性下降的技術問題。

本發明的另一目的在于提供一種熱電器件，以解決現有熱電器件隨著服役時間的延長，其熱端穩定性下降的技術問題。

為了實現上述發明目的，本發明的一方面，提供了一種熱電器件電極。所述熱電器件電極包括以此層疊結合的half-Heusler基質層、焊料層和電極層，在所述half-Heusler基質層與焊料層之間還層疊結合有阻擋層，所述阻擋層為鈦鎳合金層。

本發明的另一方面，提供了本發明熱電器件電極的一種制備方法。所述制備方法包括如下步驟：

在half-Heusler基質表面依次鋪設鈦鎳合金阻擋層粉料層、焊料層和電極層；

再進行燒結處理。

本發明的又一方面，提供了一種熱電器件。所述熱電器件包括電極，且所述電極為本發明熱電器件電極或本發明制備方法制備的熱電器件。