[發明專利]熱電元件(變體)

在審

• 申請號: 201880091142.X
• 申請日: 2018-03-21
• 公開（公告）號: CN112041995A
• 公開（公告）日: 2020-12-04
• 發明（設計）人: Z·M·達舍夫斯基;L·D·杜德金;S·Y·斯基皮達羅夫
• 申請（專利權）人: 拉斯特克有限公司
• 主分類號: H01L35/16
• 分類號: H01L35/16;H01L35/18
• 代理公司: 上海一平知識產權代理有限公司 31266
• 代理人: 徐林強;崔佳佳

本發明涉及用于熱電電池中將熱能直接轉換成電能的熱電元件的制備。本發明旨在實現提高熱電元件效率的技術效果。本發明的熱電元件由串聯連接在電路中的p型支腳和n型支腳組成，p型支腳基于由Bi₂Te₃?Sb₂Te的固溶液制成的多晶織構半導體材料。本發明的第一變體中，為提高T＞100的工作溫度范圍內的熱電效率，熱流在p型支腳中沿結晶軸C從熱端引導到冷端。為提高T＞100的工作溫度范圍內的熱電效率，熱流在p型支腳中沿結晶軸C從熱端引導到冷端。本發明的第二變體中，為提高熱電效率，p型支腳由相互電接觸和熱接觸的兩部分組成，其中第一部分中的熱流從垂直C軸的熱元件的低溫側引導，第二部分中的熱流沿C軸從高溫側引導。

發明領域

本發明涉及一種使用熱電元件和通過溫度差而實現將熱量直接轉換成電能的發電的熱電發電裝置。

背景技術

熱電發電技術中的高度優先的問題是提高熱電裝置的熱電效率。這是通過在較寬的工作溫度范圍(50℃至350℃)中提高熱電材料的熱電效率來實現的，這由材料的品質因數(figure-of-merit)或所謂的Z參數表示，其定義為：

其中，α為塞貝克(Seebeck)系數，σ為電導率，κ為熱電材料的熱導率。

熱電元件由兩個支腳組成，這兩個支腳由p型和n型半導體材料制成(分別為p型和n型支腳)，兩個支腳連接以形成串聯電路。當前認為鉍和碲化鉍Bi₂Te₃和Sb₂Te₃的三元固溶體(合金)是50℃至350℃的溫度范圍內工作的p型支腳的最有效半導體材料。室溫(300K)時Z參數的最大值達到3×10^-3К^-1(其中К是以開氏溫度計的絕對溫度)。應該注意的是，由于晶體結構的特征，鉍和碲化銻屬于具有各向異性特性的半導體類別。它在與結晶軸С(0001)平行或垂直的方向上引起電導率σ和熱導率κ的各向異性。同時，當半導體的電導率基于單一類型的電荷載流子時(n型材料中的電子或p型材料中的空穴界定)，塞貝克系數α在半導體中仍是各向同性，其濃度由n型供體或p-型受體分別控制(參見：B.M.Goltsman,V.A.Kudinov,I.A.Smirnov.基于Bi₂Te₃的半導體熱電材料(Bi₂Te₃ based semiconductorthermoelectric materials.莫斯科,瑙卡(Nauka)，1972年，第271-275頁)

然而，Z參數對溫度的強烈依賴性是這種材料的局限性。Z值隨溫度的升高而急劇下降是由少數電荷載流子(即p型材料中的電子)的熱生成引起的，導致出現與大多數電荷載流子提供的塞貝克系數相反符號的塞貝克系數分量。在這種情況下，塞貝克系數由以下公式描述：

其中，n和p分別指電子和空穴定義的參數。

日本專利第2326466號(2008年6月10日公開)中公開了與本發明最接近的現有技術方案，該專利描述了具有過量Te的混合物(Bi-Sb)₂Te₃的制備，混合物的熔化和融化后的固化。然后，形成的鑄錠經歷塑性變形。熱電元件由p型和n型材料制成的兩個支腳構成，并通過金屬墊連接。上面提到的用于制造p型支腳的基于(Bi-Sb)₂Te₃的材料結晶為六邊形結構，具有電學和熱學性能的各向異性。該專利的發明人指出，在研究溫度最高100℃的情況下，與熱通量方向平行于С軸的情況相比，當熱通量方向橫向于С軸時，可獲得更高的熱電效率。

發明內容

本發明的第一變體的目的是在固有傳導開始時提高熱電元件的熱電效率，通常在從支腳的冷端的100℃開始的工作溫度范圍內。