[發明專利]一種可拉伸多孔結構的面外型熱電器件

有效

• 申請號: 202110630506.0
• 申請日: 2021-06-07
• 公開（公告）號: CN113380941B
• 公開（公告）日: 2022-07-26
• 發明（設計）人: 王瑤;王亞龍;鄧元
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: H01L35/02
• 分類號: H01L35/02;H01L35/32;H01L35/34
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛華

本發明涉及一種可拉伸多孔結構的面外型熱電器件，屬于柔性熱電能量轉換技術領域。該熱電器件由以下結構組成：由導電布構成的頂電極(1)和底電極(4)，由低熱導率的柔性多孔材料和熱電材料組成的p型熱電臂(2)和n型熱電臂(3)，由柔性可拉伸的高導熱薄膜(5)和高導熱的金屬界面層(6)組成的柔性高導熱基底。本發明所要解決的技術問題是：構筑熱電能量轉換功能與三維多孔結構一體化的彈性材料，獲得可拉伸熱電材料；設計熱電器件電極結構、降低熱電器件與熱源之間的界面熱阻，提升熱電器件冷熱兩側實際溫差，提高器件輸出電壓性能，實現器件利用人體體溫發電的可穿戴電源應用的可拉伸應用。

技術領域

本發明涉及一種可拉伸多孔結構的面外型熱電器件，屬于柔性熱電能量轉換技術領域。

背景技術

應用于可穿戴傳感系統的器件應該具有可持續工作、獨立性、免保養、機械柔性等特點。毫無疑問在傳感和信號傳輸過程中，電源是不可缺少的一部分。但是當下供電單元成為了可穿戴傳感網絡實現上述功能的最大的限制，因為目前應用最廣泛的電源系統是塊體電池，其帶來了一系列諸如可穿戴柔性問題、頻繁充電問題和電池更換等問題。由于越來越多的傳感器被應用于遠程控制場景，因此無需外部供電單元供應的自供電傳感器件變得尤為重要。換言之，實際的應用需求對自供電傳感系統提出了越來越高的需求。

可穿戴柔性傳感器在獲取和傳輸信號的過程中大多需要微瓦至毫瓦級的能源供應。因此，可收集低品位能量(廢熱能、人體運動機械能)的能源器件對驅動此種可穿戴柔性傳感器件至關重要。微能源收集器件可基于多種原理：比如壓電效應和摩擦電效應收集機械能，熱電效應收集廢熱能，光伏效應收集太陽能，此類微能源收集器件在可穿戴柔性傳感系統中已經被廣泛研究。其中，溫差發電器件是基于熱電材料的塞貝克效應，將熱能轉化為電能，具有環境友好、體積小，結構緊湊，無運動部件等優點。具體原理為：當熱流從熱電材料的熱端流到熱電材料的冷端時，半導體熱電材料內部的自由電荷(電子或空穴)也跟著定向運動，通過這種電荷運動將熱能轉化為電能。利用人體與外界環境建立的溫差用于發電，實現柔性可穿戴設備的自供電。

目前，應用于人體體表熱量收集的剛性人體溫差發電器件，存在著器件制造成本高，可靠性差、不便于穿戴等問題。此外，人們將目光轉向柔性可穿戴溫差發電器件。雖然國際上對柔性熱電器件的研究有了一定進展，但目前仍然存在四個主要挑戰。第一，基于高性能無機熱電材料的柔性器件，由于熱電材料較高的熱導率，在人體應用中很難在熱電材料兩側建立溫差；第二，現有的柔性熱電器件，使用較低熱導率的高分子基底，造成較大的熱損耗，不利于熱能利用。第三，現有的柔性熱電器件受限于電極的不可拉伸性，因此器件本身不具有可拉伸性；第四，柔性熱電器件基底與熱源之間接觸熱阻較大，使熱電臂兩側實際溫差較小，影響熱電轉換效率。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是：構筑熱電能量轉換功能與三維多孔結構一體化的彈性材料，獲得可拉伸熱電材料；設計熱電器件電極結構、降低熱電器件與熱源之間的界面熱阻，提升熱電器件冷熱兩側實際溫差，提高器件輸出電壓性能，實現器件利用人體體溫發電的可穿戴電源應用的可拉伸應用。

一種可拉伸多孔結構的面外型熱電器件，該熱電器件由以下結構組成：由導電布構成的頂電極(1)和底電極(4)，由低熱導率的柔性多孔材料和熱電材料組成的p型熱電臂(2)和n型熱電臂(3)，由柔性可拉伸的高導熱薄膜(5)和高導熱的金屬界面層(6)組成的柔性高導熱基底。

p型熱電臂(2)和n型熱電臂(3)通過銀漿與頂電極(1)和底電極(4)連接，使用銀漿可有效降低接觸電阻。底電極(4)通過導電布自身的膠面粘在高導熱薄膜(5)的上表面。金屬界面層(6)通過原位生長固定在高導熱薄膜(5)的下表面。