RU2628677C1 - Thermoelectric generator manufacturing method - Google Patents

Thermoelectric generator manufacturing method Download PDF

Info

Publication number
RU2628677C1
RU2628677C1 RU2016107499A RU2016107499A RU2628677C1 RU 2628677 C1 RU2628677 C1 RU 2628677C1 RU 2016107499 A RU2016107499 A RU 2016107499A RU 2016107499 A RU2016107499 A RU 2016107499A RU 2628677 C1 RU2628677 C1 RU 2628677C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
plane
samarium
thermoelectric generator
current contact
parallel plate
Prior art date
Application number
RU2016107499A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Владимир Васильевич Каминский
Михаил Михайлович Казанин
Сергей Алексеевич Казаков
Михаил Александрович Гревцев
Наталия Викторовна Шаренкова
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук
Priority to RU2016107499A priority Critical patent/RU2628677C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2628677C1 publication Critical patent/RU2628677C1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N15/00Thermoelectric devices without a junction of dissimilar materials; Thermomagnetic devices, e.g. using the Nernst-Ettingshausen effect

Abstract

FIELD: electricity.
SUBSTANCE: manufacturing method of a thermoelectric generator includes puncturing of a plane-parallel plate (3) from the SmS sulphide ingot, the samarium applying(2) to the surface of the first plane current contact (1) made of refractory metal, applying of the plane-parallel plate (3) to the samarium (2), annealing of the obtained structure in a vacuum at a temperature rate of 1072-1200°C for a time t determined from a predetermined ratio, and the following formation of the second current contact (4) on the surface of the plane-parallel plate.
EFFECT: improved stability and reproducibility of the electric signal of the generator.
6 cl, 7 dwg

Description

Изобретение относится к области преобразования тепловой энергии в электрическую, в частности, к созданию термоэлектрических генераторов на основе полупроводниковых структур, и может быть использовано, например, в атомной промышленности, в медицине.The invention relates to the field of conversion of thermal energy into electrical energy, in particular, to the creation of thermoelectric generators based on semiconductor structures, and can be used, for example, in the nuclear industry, in medicine.

Известен способ изготовления термоэлектрического генератора (см. патент RU 2303834, МПК H01L 37/00, опубл. 27.07.2007), включающий нанесение дискретным испарением в вакууме поликристаллического слоя полупроводникового материала на основе элемента III группы на нагретую подложку и присоединение к нему токовых контактов. В качестве исходного материала для нанесения берут порошок сульфида самария SmS. Подложку выполняют с металлической поверхностью, являющейся одновременно первым токовым контактом. В процессе нанесения поликристаллического слоя дискретным испарением в вакууме температуру подложки монотонно увеличивают от начального до конечного значений, выбираемых из интервала температур от 250 до 600°С, а второй токовый контакт присоединяют к поверхности полученного поликристаллического слоя.A known method of manufacturing a thermoelectric generator (see patent RU 2303834, IPC H01L 37/00, published July 27, 2007), comprising applying a discrete evaporation in vacuum of a polycrystalline layer of a semiconductor material based on an element of group III onto a heated substrate and attaching current contacts to it. As a starting material for application, samarium sulfide powder SmS is taken. The substrate is made with a metal surface, which is simultaneously the first current contact. In the process of applying a polycrystalline layer by discrete evaporation in vacuum, the temperature of the substrate monotonically increases from the initial to the final value, selected from the temperature range from 250 to 600 ° C, and the second current contact is attached to the surface of the obtained polycrystalline layer.

Изготовленный известным способом термоэлектрический генератор может работать в условиях отсутствия градиента температуры, но генерирует малую мощность сигнала, до 10 мкВт. Известный способ не позволяет создать достаточно толстые слои полупроводника с градиентом состава, поскольку напыление толстых слоев происходит достаточно медленно (примерно 1 мкм за 5 минут), и состав выравнивается по объему из-за термодиффузии. Малый объем рабочего вещества (слой толщиной не более чем ~1 мкм) обуславливает малую мощность генерируемого сигнала. Главный же недостаток известного способа заключается в нестабильности и плохой воспроизводимости генерируемого сигнала изготовленных термоэлектрических генераторов.A thermoelectric generator made in a known manner can operate in the absence of a temperature gradient, but generates a small signal power, up to 10 μW. The known method does not allow to create sufficiently thick layers of a semiconductor with a composition gradient, since the deposition of thick layers occurs rather slowly (about 1 μm in 5 minutes), and the composition is aligned in volume due to thermal diffusion. A small volume of the working substance (a layer with a thickness of not more than ~ 1 μm) causes a low power of the generated signal. The main disadvantage of this method is the instability and poor reproducibility of the generated signal manufactured thermoelectric generators.

Известен способ изготовления термоэлектрического генератора (см. патент RU 2548062, МПК H01L 37/00, опубл. 10.04.2015), совпадающий с настоящим решением по наибольшему числу существенных признаков и принятый за прототип. Известный способ включает выкалывание из слитка сульфида самария SmS плоскопараллельной пластины, нанесение на верхнюю поверхность пластины раствора, содержащего избыточные атомы самария и атомы, относящиеся к семейству лантаноидов, а именно гадолиния Gd, или церия Се, или европия Eu, или иттербия Yb, диффузию этих атомов в глубь пластины с помощью высокотемпературного отжига в вакууме. Температуру и время отжига выбирают, исходя из условия, что концентрация у атомов, относящихся к семейству лантаноидов, после отжига в пластине составляет для гадолиния Gd y≤0,15, для церия Се y≤0,15, для иттербия Yb y≤0,2, а концентрация x избыточных атомов самария Sm в пластине после отжига составляет ≤0,2.A known method of manufacturing a thermoelectric generator (see patent RU 2548062, IPC H01L 37/00, publ. 04/10/2015), coinciding with this decision for the largest number of essential features and adopted for the prototype. The known method includes puncturing a flat parallel plate from an ingot of Samarium sulfide SmS, depositing on the upper surface of the plate a solution containing excess samarium atoms and atoms belonging to the lanthanide family, namely gadolinium Gd, or cerium Ce, or europium Eu, or ytterbium Yb, diffusion of these atoms deep into the plate using high-temperature annealing in vacuum. The temperature and annealing time are selected based on the condition that the concentration of atoms belonging to the lanthanide family after annealing in the plate is Gd y≤0.15 for gadolinium, Ce y≤0.15 for cerium, Yb y≤0 for ytterbium, 2, and the concentration x of excess Sm samarium atoms in the plate after annealing is ≤0.2.

Недостатком известного способа-прототипа является то, что после проведения диффузии на поверхности пластины сульфида самария SmS остается слой, содержащий остатки неразложившегося SmCl2, окислов и оксисульфида самария (Sm2O3, Sm2O2S). Кроме того, поверхность образца становится шероховатой. Все это приводит к невозможности создания хорошего омического контакта между токовыводом и образцом SmS. Сошлифовка слоя не представляется возможной, поскольку SmS при полировке переходит из полупроводникового в металлическое состояние и теряет работоспособность.The disadvantage of the known prototype method is that after diffusion on the surface of the Samarium sulfide plate SmS there remains a layer containing the remains of undecomposed SmCl 2 , oxides and samarium oxysulfide (Sm 2 O 3 , Sm 2 O 2 S). In addition, the surface of the sample becomes rough. All this makes it impossible to create a good ohmic contact between the current output and the SmS sample. Sanding the layer is not possible, since SmS during polishing passes from the semiconductor to the metallic state and loses its working capacity.

Задачей настоящего изобретения является разработка способа изготовления термоэлектрического генератора, который бы вырабатывал электрический сигнал повышенной стабильности и воспроизводимости.The objective of the present invention is to develop a method of manufacturing a thermoelectric generator that would generate an electrical signal of increased stability and reproducibility.

Поставленная задача решается тем, что способ изготовления термоэлектрического генератора включает выкалывание из слитка сульфида самария SmS плоскопараллельной пластины, нанесение самария на поверхность первого плоского токового контакта, выполненного из тугоплавкого металла, наложение на самарий упомянутой плоскопараллельной пластины, отжиг полученной структуры в вакууме при температуре 1072-1200°С в течение времени t, определяемого из соотношения:The problem is solved in that the method of manufacturing a thermoelectric generator includes puncturing a flat parallel plate from an ingot of samarium sulfide SmS, depositing samarium on the surface of the first flat current contact made of refractory metal, applying said plane-parallel plate to samarium, annealing the resulting structure in vacuum at a temperature of 1072- 1200 ° C for a time t determined from the ratio:

Figure 00000001
Figure 00000001

где d - толщина плоскопараллельной пластины, см;where d is the thickness of the plane-parallel plate, cm;

K=2,5⋅106 - эмпирический коэффициент, с/см2,K = 2.5⋅10 6 - empirical coefficient, s / cm 2 ,

и последующее формирование на поверхности плоскопараллельной пластины второго токового контакта.and the subsequent formation on the surface of the plane-parallel plate of the second current contact.

Самарий может быть нанесен на поверхность первого плоского токового контакта в виде стружки, или в виде фольги, или в виде кускового материала.Samarium can be applied to the surface of the first flat current contact in the form of chips, or in the form of foil, or in the form of lumpy material.

Второй токовой контакт может быть сформирован путем нанесения на поверхность плоскопараллельной пластины слоя металла или быть выполненным прижимным.The second current contact can be formed by applying a metal layer to the surface of a plane-parallel plate or by pressing.

При отжиге полученной структуры в вакууме при температуре 1072-1200°С в течение времени t, происходит диффузия атомов самария в плоскопараллельную пластину SmS с образованием градиента избыточных ионов самария в плоскопараллельной пластине SmS. Области с градиентом избыточных ионов самария отвечает формула Sm1+xS с изменяющимся значением содержания самария (x) в направлении, перпендикулярном граничной поверхности плоскопараллельной пластины. При этом концентрация самария меняется монотонно (убывает) в перпендикулярном поверхности плоскопараллельной пластины направлении, ее градиент в этом направлении, таким образом, обеспечивает возникновение ЭДС на противоположных граничных поверхностях плоскопараллельной пластины при нагревании термоэлектрического генератора. Эффект генерации ЭДС связан с изменением валентности ионов самария в системе примесных (находящихся вне регулярных узлов кристаллической решетки плоскопараллельной пластины SmS) ионов Sm2+. ЭДС создается вследствие возникновения градиентов температуры в плоскопараллельной пластине SmS из-за поглощения и выделения энергии фазового перехода моттовского типа, а также возникновения градиентов концентрации электронов проводимости из-за изменения валентности ионов самария (Sm2+↔Sm3++e-) вследствие наличия градиентов распределения дефектных ионов самария, которые образуют донорные примеси по объему плоскопараллельной пластины SmS. Генерируемая ЭДС (U) подчиняется соотношению:Upon annealing the obtained structure in vacuum at a temperature of 1072–1200 ° С for a time t, the diffusion of samarium atoms into the plane-parallel SmS plate occurs with the formation of a gradient of excess samarium ions in the plane-parallel SmS plate. Regions with a gradient of excess samarium ions correspond to the formula Sm 1 + x S with a varying samarium content (x) in a direction perpendicular to the boundary surface of a plane-parallel plate. In this case, the concentration of samarium changes monotonically (decreases) in the direction perpendicular to the surface of the plane-parallel plate, its gradient in this direction, thus, ensures the emergence of EMF on opposite boundary surfaces of the plane-parallel plate when the thermoelectric generator is heated. The effect of EMF generation is associated with a change in the valency of samarium ions in the system of Sm 2+ ions (located outside the regular lattice sites of the plane-parallel SmS plate). EMF is created due to the occurrence of temperature gradients in a plane-parallel SmS plate due to absorption and release of the Mott type phase transition energy, as well as to the appearance of conduction electron concentration gradients due to changes in the valence of samarium ions (Sm 2+ ↔ Sm 3+ + e - ) due to distribution gradients of defective samarium ions that form donor impurities over the volume of a plane-parallel SmS plate. The generated EMF (U) obeys the relation:

Figure 00000002
Figure 00000002

где n1 и n2 - концентрации электронов проводимости в области токовых контактов при температуре генерации, см-3;where n 1 and n 2 are the concentrations of conduction electrons in the region of current contacts at the generation temperature, cm -3 ;

Т - разница между температурой генерации и до нагрева, К;T is the difference between the generation temperature and before heating, K;

е - заряд электрона, Кл;e is the electron charge, C;

k - постоянная Больцмана Дж/К.k is the Boltzmann constant J / K.

U не зависит от объема образца и его геометрической конфигурации, а зависит только от разницы величин n1 и n2 при данной температуре Т, которая задается градиентом донорной примеси (Sm).U does not depend on the volume of the sample and its geometric configuration, but depends only on the difference in the values of n 1 and n 2 at a given temperature T, which is determined by the gradient of the donor impurity (Sm).

Одновременно самарий служит припоем для надежного присоединения и создания хорошего омического контакта между плоскопараллельной пластиной SmS и первым плоским токовым контактом.At the same time, samarium serves as a solder for reliable attachment and the creation of good ohmic contact between the plane-parallel SmS plate and the first flat current contact.

Выбор параметров отжига обусловлен следующим. Температура 1072°С является температурой плавления металлического самария. При температуре выше 1200°С самарий начинает интенсивно испаряться, разлетается и оседает на всей поверхности структуры и стенках рабочей камеры. Минимальное время отжига ограничивается 250 секундами, поскольку при меньшем времени отжига, как установлено экспериментально, диффундирующие атомы самария проходят лишь расстояние менее 100 мкм. Это и определяет толщину рабочего слоя (слоя с градиентом избыточного Sm). Однако в этом случае теряет практический смысл применение объемных образцов для увеличения мощности генерации, так как такие тонкие рабочие слои могут быть получены и в тонко- и толстопленочных образцах. Установленное экспериментально максимальное время отжига, определяемое соотношением (1), обусловлено прохождением диффундирующего потока атомов самария через всю толщину плоскопараллельной пластины SmS, и дальнейший диффузионный процесс приводит к уменьшению величины генерируемой ЭДС, поскольку уменьшается разница между n1 и n2, входящими в соотношение (2).The choice of annealing parameters is due to the following. The temperature of 1072 ° C is the melting point of metallic samarium. At temperatures above 1200 ° C, samarium begins to evaporate intensively, scatters and settles on the entire surface of the structure and the walls of the working chamber. The minimum annealing time is limited to 250 seconds, since with a shorter annealing time, as established experimentally, diffusing samarium atoms pass only a distance of less than 100 microns. This determines the thickness of the working layer (layer with a gradient of excess Sm). However, in this case, the use of bulk samples to increase the lasing power loses practical sense, since such thin working layers can be obtained in thin and thick film samples. The experimentally established maximum annealing time determined by relation (1) is due to the passage of a diffusing flux of samarium atoms through the entire thickness of the plane-parallel plate SmS, and a further diffusion process leads to a decrease in the generated emf, since the difference between n 1 and n 2 in the relation ( 2).

Настоящее техническое решение позволяет получать рабочие термоэлектрические генераторы в виде объемных образцов толщиной в несколько миллиметров при наличии в них градиента избыточных ионов самария, которые диффундируют из слоя металлического самария.This technical solution allows to obtain working thermoelectric generators in the form of bulk samples with a thickness of several millimeters in the presence of a gradient of excess samarium ions in them, which diffuse from the layer of metal samarium.

Настоящий способ изготовления термоэлектрического генератора поясняется чертежами, где:The present method of manufacturing a thermoelectric generator is illustrated by drawings, where:

на фиг. 1 изображен в поперечном разрезе изготовленный по настоящему способу термоэлектрический генератор (1 - первый плоский токовый контакт, 2 - самарий, 3 - плоскопараллельная пластина SmS, 4 - второй токовый контакт);in FIG. 1 is a cross-sectional view of a thermoelectric generator manufactured by the present method (1 — first flat current contact, 2 — samarium, 3 — plane-parallel plate SmS, 4 — second current contact);

на фиг. 2 приведены зависимости вырабатываемого напряжения (5) и температуры (6) нагрева термоэлектрического генератора, изготовленного настоящим способом, от времени;in FIG. 2 shows the dependences of the generated voltage (5) and temperature (6) of heating a thermoelectric generator manufactured by the present method on time;

на фиг. 3 показаны результаты измерений внутреннего сопротивления одного и того же генератора, изготовленного по настоящему способу, полученные в различных циклах измерения;in FIG. 3 shows the results of measurements of the internal resistance of the same generator manufactured by the present method, obtained in various measurement cycles;

на фиг. 4 приведены результаты измерений внутреннего сопротивления одного и того же генератора, изготовленного по способу-прототипу, полученные в различных циклах измерения;in FIG. 4 shows the results of measurements of the internal resistance of the same generator made by the prototype method, obtained in various measurement cycles;

на фиг. 5 даны результаты измерений электрического напряжения, генерируемого при Т=175°С одним и тем же термоэлектрическим генератором, изготовленным по настоящему способу, полученные в различных циклах измерения;in FIG. 5 shows the results of measurements of the electrical voltage generated at T = 175 ° C by the same thermoelectric generator manufactured by the present method, obtained in various measurement cycles;

на фиг. 6 приведены результаты измерений электрического напряжения, генерируемого при Т=175°С одним и тем же термоэлектрическим генератором, изготовленным по способу-прототипу, полученные в различных циклах измерения;in FIG. 6 shows the results of measurements of the electric voltage generated at T = 175 ° C by the same thermoelectric generator manufactured by the prototype method, obtained in various measurement cycles;

на фиг. 7 приведены результаты измерения внутреннего сопротивления для 5 генераторов, изготовленных по предлагаемому способу (квадратные точки), и 5 генераторов, изготовленных по способу-прототипу (ромбовидные точки).in FIG. 7 shows the results of measuring the internal resistance for 5 generators made by the proposed method (square dots), and 5 generators made by the prototype method (diamond-shaped dots).

Настоящий способ изготовления термоэлектрического генератора осуществляют следующим образом. Выкалывают из слитка сульфида самария SmS плоскопараллельную пластину 3. Помещают самарий 2, например, в виде стружки, или фольги, или кускового материала на поверхность первого плоского токового контакта 1, выполненного из тугоплавкого металла, например, из молибдена или тантала, или вольфрама, или кобальта. На самарий 2 накладывают плоскопараллельную пластину 3 и помещают приготовленную таким образом структуру в вакуумную камеру, в которой создают пониженное давление (обычно не более 10-3 мм рт.ст.). Затем структуру нагревают с помощью резистивной или индукционной печи до температуры 1072-1200°С и выдерживают при этой температуре в течение времени, определяемого соотношением (1). К первому плоскому токовому контакту 1 приваривают проволоку, либо создают прижимной контакт. Второй токовый контакт 4 создают либо нанесением слоя металла на поверхность плоскопараллельной пластины 3, противоположную первому плоскому токовому контакту 1, либо выполняют второй токовый контакт 4 прижимным.The present method of manufacturing a thermoelectric generator is as follows. A plane-parallel plate 3 is punctured from the samarium sulfide ingot SmS. 3. Samarium 2 is placed, for example, in the form of chips, or foil, or lump material on the surface of the first flat current contact 1 made of refractory metal, for example, molybdenum or tantalum, or tungsten, or cobalt. A plane-parallel plate 3 is applied to samarium 2 and the structure thus prepared is placed in a vacuum chamber, in which a reduced pressure is created (usually not more than 10 -3 mm Hg). Then the structure is heated with a resistive or induction furnace to a temperature of 1072-1200 ° C and maintained at this temperature for a time determined by the ratio (1). A wire is welded to the first flat current contact 1, or a pressure contact is created. The second current contact 4 is created either by applying a layer of metal on the surface of a plane-parallel plate 3 opposite to the first flat current contact 1, or the second current contact 4 is pressed.

Пример 1. Из слитка сульфида самария SmS была выколота плоскопараллельная пластина с размерами 3,5×2×2 мм3. На первый плоский токовый контакт с размерами 9×7×1,5 мм2 из молибдена был насыпан металлический самарий в виде опилок массой 0,2 г. Поверх опилок была помещена выколотая плоскопараллельная пластина SmS. Полученная таким образом структура была помещена в вакуумную камеру, в которой было создано давление 10-4 мм рт.ст., осуществлялся постепенный (в течение 12 с) индукционный нагрев полученной структуры до 1190°С, температура контролировалась с помощью вольфрам-рениевой термопары с точностью ±3°С, контроль процесса плавления самария осуществлялся визуально через прозрачную стенку рабочей камеры. При Т=1190°С нагрев продолжался в течение 250 секунд. После нагрева полученная структура извлекалась из камеры. На поверхности плоскопараллельной пластины SmS устанавливался второй прижимной токовый контакт. При испытаниях действия термоэлектрического генератора его помещали на массивную медную пластину, нагреваемую с помощью электрической печки резистивного типа. Температура медной пластины и структуры измерялась с помощью медь-константановой термопары, заделанной в медную пластину. Сигнал с токовых контактов с помощью прижимных контактов и сигнал с термопары подавали на два канала АЦП персонального компьютера и снимали в процессе нагрева. Нагрев термоэлектрического генератора производили в диапазоне от 25°С до 175°С. Напряжение U, вырабатываемое термоэлектрическим генератором, составляло 24 мВ, а мощность W при нагрузке 1 Ом составляла 106 мкВт. Результаты проведенных измерений представлены на фиг. 2, где изображены зависимости величины напряжения U и температуры Τ от времени (соответственно кривая 5 и кривая 6). «Провалы» на кривой 5 соответствуют временным интервалам, в течение которых измерялась мощность W при закорачивании сигнала сопротивлением 1 Ом, она составляла 91 мкВт при Т=150°С и 106 мкВт при Т=172°С. Измерения были повторены 10 раз через временные интервалы порядка недели. Каждый раз перед измерением размыкали прижимные контакты и устанавливали снова. При этом измерялось внутреннее сопротивление термоэлектрического генератора, Ri. Результаты измерений представлены на фиг. 3. Высчитывалось среднее квадратичное отклонение результатов по формуле:Example 1. A plane-parallel plate with dimensions of 3.5 × 2 × 2 mm 3 was punctured from an ingot of samarium sulfide SmS. On the first flat current contact with dimensions of 9 × 7 × 1.5 mm 2, molybdenum was filled with metallic samarium in the form of 0.2 g sawdust. A punctured plane-parallel SmS plate was placed on top of the sawdust. The structure obtained in this way was placed in a vacuum chamber in which a pressure of 10 -4 mm Hg was created, gradual (within 12 s) induction heating of the obtained structure to 1190 ° C was carried out, the temperature was controlled using a tungsten-rhenium thermocouple with accuracy ± 3 ° С, samarium melting process was monitored visually through the transparent wall of the working chamber. At T = 1190 ° C, heating continued for 250 seconds. After heating, the resulting structure was removed from the chamber. A second clamping current contact was established on the surface of the plane-parallel plate SmS. When testing the action of a thermoelectric generator, it was placed on a massive copper plate heated by a resistive type electric stove. The temperature of the copper plate and structure was measured using a copper-constantan thermocouple embedded in a copper plate. The signal from the current contacts using the clamping contacts and the signal from the thermocouple were fed to two channels of the ADC of a personal computer and recorded during heating. The thermoelectric generator was heated in the range from 25 ° C to 175 ° C. The voltage U produced by the thermoelectric generator was 24 mV, and the power W at a load of 1 ohm was 106 μW. The results of the measurements are presented in FIG. 2, where the dependences of the voltage U and temperature Τ on time are shown (curve 5 and curve 6, respectively). The “dips” on curve 5 correspond to the time intervals during which the power W was measured when the signal was shorted with a resistance of 1 Ω, it was 91 μW at T = 150 ° C and 106 μW at T = 172 ° C. Measurements were repeated 10 times at time intervals of the order of a week. Each time before the measurement, the pressure contacts were opened and set again. In this case, the internal resistance of the thermoelectric generator, R i , was measured. The measurement results are presented in FIG. 3. The mean square deviation of the results was calculated by the formula:

Figure 00000003
Figure 00000003

где n - количество измерений;where n is the number of measurements;

Figure 00000004
- среднее значение сопротивления, Ом.
Figure 00000004
- average value of resistance, Ohm.

Во всех экспериментах измерялась также величина генерируемого напряжения при Т=175°С. Результаты измерений представлены на фиг. 5. Для сравнения был изготовлен термоэлектрический генератор по способу-прототипу, в соответствии с которым на плоскопараллельную пластину SmS наносили слой соли SmCl2. Эту структуру подвергали нагреву до Т=850°С в течение часа. Выходные сигналы с изготовленного термоэлектрического генератора снимали таким же образом, как и с термоэлектрического генератора, изготовленного настоящим способом. Оба контакта были прижимные. Измерения повторили 10 раз. Результаты измерения внутреннего сопротивления представлены на фиг. 4, а результаты измерения генерируемого напряжения - на фиг. 6. Как видно из результатов измерений, среднеквадратичное отклонение σ для измеренного сопротивления и генерируемого напряжения при изготовлении термоэлектрического генератора настоящим способом составляет соответственно: 0,15 Ом и 1,08 мВ, в то время как для термоэлектрического генератора, изготовленного по способу-прототипу, эти величины составили 3,05 Ом и 5,16 мВ, соответственно. Таким образом, воспроизводимость параметров термоэлектрического генератора, изготовленного по настоящему способу, превосходит воспроизводимость параметров термоэлектрического генератора, изготовленного по способу-прототипу, не менее чем в 5 раз.In all experiments, the value of the generated voltage was also measured at T = 175 ° C. The measurement results are presented in FIG. 5. For comparison, a thermoelectric generator was manufactured according to the prototype method, according to which a layer of SmCl 2 salt was applied to a plane-parallel SmS plate. This structure was heated to T = 850 ° C for one hour. The output signals from the fabricated thermoelectric generator were recorded in the same manner as from the thermoelectric generator manufactured by the present method. Both contacts were clamped. Measurements were repeated 10 times. The results of measuring the internal resistance are shown in FIG. 4, and the results of measuring the generated voltage in FIG. 6. As can be seen from the measurement results, the standard deviation σ for the measured resistance and the generated voltage in the manufacture of the thermoelectric generator by the present method is respectively: 0.15 Ohm and 1.08 mV, while for the thermoelectric generator manufactured by the prototype method, these values were 3.05 ohms and 5.16 mV, respectively. Thus, the reproducibility of the parameters of the thermoelectric generator manufactured by the present method exceeds the reproducibility of the parameters of the thermoelectric generator manufactured by the prototype method by at least 5 times.

Пример 2. Изготавливали термоэлектрический генератор так же, как в примере 1, но при индукционном нагреве полученной структуры в течение 240 секунд при температуре 1070°С. В результате не произошло припаивания плоскопараллельной пластины SmS к первому плоскому токовому контакту.Example 2. A thermoelectric generator was made in the same way as in example 1, but upon induction heating of the obtained structure for 240 seconds at a temperature of 1070 ° C. As a result, the plane-parallel SmS plate did not solder to the first plane current contact.

Пример 3. Изготавливали термоэлектрический генератор так же, как в примере 1, но при индукционном нагреве полученной структуры в течение 250 секунд при температуре 1205°С. В результате произошло интенсивное испарение самария с последующим его осаждением на стенках рабочей камеры. При этом поток паров самария разрушил приготовленную для припаивания структуру (сместил плоскопараллельную пластину SmS).Example 3. A thermoelectric generator was made in the same way as in example 1, but upon induction heating of the obtained structure for 250 seconds at a temperature of 1205 ° C. As a result, intense evaporation of samarium occurred, followed by its deposition on the walls of the working chamber. In this case, the flow of samarium vapor destroyed the structure prepared for soldering (shifted the plane-parallel plate SmS).

Пример 4. Изготавливали термоэлектрический генератор так же, как в примере 1, но при индукционном нагреве полученной структуры в течение 2400 секунд при температуре 1080°С. Далее проводили измерения генерируемых термоэлектрическим генератором напряжения U и мощности W. При температуре термоэлектрического генератора 172°С U=23 мВ, W=121 мкВт.Example 4. A thermoelectric generator was made in the same way as in example 1, but upon induction heating of the obtained structure for 2400 seconds at a temperature of 1080 ° C. Next, measurements were made of the voltage U and power generated by the thermoelectric generator. At a thermoelectric generator temperature of 172 ° C, U = 23 mV, W = 121 μW.

Пример 5. Изготавливали термоэлектрический генератор так же, как в примере 1, но при индукционном нагреве полученной структуры в течение 10000 секунд при температуре 1100°С. Далее проводили измерения генерируемых термоэлектрическим генератором напряжения U и мощности W. При температуре термоэлектрического генератора 172°С U=25 мВ, W=123 мкВт.Example 5. A thermoelectric generator was made in the same way as in example 1, but upon induction heating of the obtained structure for 10,000 seconds at a temperature of 1100 ° C. Next, measurements were made of the voltage U and power generated by the thermoelectric generator. At a thermoelectric generator temperature of 172 ° C, U = 25 mV, W = 123 μW.

Пример 6. Изготавливали термоэлектрический генератор так же, как в примере 1, но при индукционном нагреве полученной структуры в течение 24000 секунд при температуре 1080°С. Далее проводили измерения генерируемых термоэлектрическим генератором напряжения U и мощности W. При температуре термоэлектрического генератора 172°С U=24 мВ, W=126 мкВт.Example 6. A thermoelectric generator was made in the same way as in example 1, but upon induction heating of the obtained structure for 24000 seconds at a temperature of 1080 ° C. Next, measurements were made of the voltage U and power generated by the thermoelectric generator. At a thermoelectric generator temperature of 172 ° C, U = 24 mV, W = 126 μW.

Пример 7. Изготавливали термоэлектрический генератор так же, как в примере 1, но плоскопараллельная пластина SmS имела размеры 3×2×1 мм3, а нагрев осуществляли при температуре 1072°С в течение времени, определенного по правой части выражения (1), а именно в течение 25000 секунд (6 часов 57 минут). Далее проводили измерения генерируемых термоэлектрическим генератором напряжения U и мощности W. При температуре термоэлектрического генератора 172°С U=24 мВ, W=120 мкВт.Example 7. A thermoelectric generator was made in the same way as in example 1, but the plane-parallel plate SmS had dimensions 3 × 2 × 1 mm 3 and heating was carried out at a temperature of 1072 ° C for a time determined on the right-hand side of expression (1), and within 25,000 seconds (6 hours 57 minutes). Next, measurements were made of the voltage U and power generated by the thermoelectric generator. At a thermoelectric generator temperature of 172 ° C, U = 24 mV, W = 120 μW.

Пример 8. Изготавливали термоэлектрический генератор так же, как в примере 7, но изготовленная структура была прогрета при Т=1072°С еще 40 минут, т.е. диффузия протекала в течение 25000+2400=27400 секунд, т.е. больше 25000 секунд. Далее проводили измерения генерируемых термоэлектрическим генератором напряжения U и мощности W. При температуре термоэлектрического генератора 172°С U=20 мВ, W=95 мкВт. Таким образом, при времени отжига, большем, чем по правой части выражения (1), имеет место снижение как выходного сигнала U термоэлектрического генератора, так и его мощности W.Example 8. A thermoelectric generator was made in the same way as in example 7, but the fabricated structure was heated at T = 1072 ° C for another 40 minutes, i.e. diffusion proceeded for 25000 + 2400 = 27400 seconds, i.e. more than 25000 seconds. Next, measurements were made of the voltage U and power generated by the thermoelectric generator. At a thermoelectric generator temperature of 172 ° C, U = 20 mV, W = 95 μW. Thus, when the annealing time is longer than on the right-hand side of expression (1), there is a decrease in both the output signal U of the thermoelectric generator and its power W.

Пример 9. Изготавливали 5 термоэлектрических генераторов так же, как в примере 1. У каждого генератора измерялось внутреннее сопротивление, Ri. Результаты измерений представлены на фиг. 7 (квадратные точки). Высчитывалось среднее квадратичное отклонение результатов по формуле (3), которое оказалось равным σ=0,61 Ом. Для сравнения были изготовлены 5 термоэлектрических генераторов по способу-прототипу. Результаты измерений величин Ri этих генераторов представлены на фиг. 7 (ромбовидные точки). Рассчитанное по формуле (3) среднее квадратичное отклонение оказалось равным σ=3,12 Ом. Таким образом, воспроизводимость внутреннего сопротивления термоэлектрических генераторов, изготовленных по настоящему способу, превосходит воспроизводимость внутреннего сопротивления термоэлектрических генераторов, изготовленных по способу-прототипу, примерно в 5 раз. Следует отметить, что внутреннее сопротивление является одним из основных параметров, определяющих другие эксплуатационные параметры прибора. Стабильность его является залогом стабильности остальных параметров.Example 9. Made 5 thermoelectric generators in the same way as in example 1. Each generator was measured internal resistance, R i . The measurement results are presented in FIG. 7 (square dots). The root-mean-square deviation of the results was calculated by the formula (3), which turned out to be equal to σ = 0.61 Ohm. For comparison, 5 thermoelectric generators were manufactured by the prototype method. The measurement results R i of these generators are shown in FIG. 7 (diamond-shaped dots). The mean square deviation calculated by formula (3) turned out to be equal to σ = 3.12 Ohms. Thus, the reproducibility of the internal resistance of thermoelectric generators made by the present method exceeds the reproducibility of the internal resistance of thermoelectric generators made by the prototype method by about 5 times. It should be noted that internal resistance is one of the main parameters that determine other operational parameters of the device. Its stability is the key to the stability of other parameters.

Claims (10)

1. Способ изготовления термоэлектрического генератора, включающий выкалывание из слитка сульфида самария SmS плоскопараллельной пластины, нанесение самария на поверхность первого плоского токового контакта, выполненного из тугоплавкого металла, наложение на самарий упомянутой плоскопараллельной пластины, отжиг полученной структуры в вакууме при температуре 1072-1200°C в течение времени t, определяемого из соотношения:1. A method of manufacturing a thermoelectric generator, comprising puncturing a samarium SmS sulfide ingot of a plane-parallel plate, depositing samarium on the surface of the first plane current contact made of refractory metal, applying said plane-parallel plate to samarium, annealing the resulting structure in vacuum at a temperature of 1072-1200 ° C during time t determined from the relation: 250≤t≤K⋅d2, с;250≤t≤K⋅d 2 , s; где d - толщина плоскопараллельной пластины, см;where d is the thickness of the plane-parallel plate, cm; К=2,5⋅106 - эмпирический коэффициент, с/см2;K = 2.5⋅10 6 - empirical coefficient, s / cm 2 ; и последующее формирование на поверхности плоскопараллельной пластины второго токового контакта.and the subsequent formation on the surface of the plane-parallel plate of the second current contact. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что самарий наносят на поверхность первого плоского токового контакта в виде стружки.2. The method according to p. 1, characterized in that the samarium is applied to the surface of the first flat current contact in the form of chips. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что самарий наносят на поверхность первого плоского токового контакта в виде фольги.3. The method according to p. 1, characterized in that the samarium is applied to the surface of the first flat current contact in the form of a foil. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что самарий наносят на поверхность первого плоского токового контакта в виде кускового материала.4. The method according to p. 1, characterized in that the samarium is applied to the surface of the first flat current contact in the form of bulk material. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что второй токовый контакт формируют путем нанесения на поверхность плоскопараллельной пластины слоя металла.5. The method according to p. 1, characterized in that the second current contact is formed by applying a layer of metal to the surface of a plane-parallel plate. 6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что второй токовой контакт выполнен прижимным.6. The method according to p. 1, characterized in that the second current contact is made clamped.
RU2016107499A 2016-03-01 2016-03-01 Thermoelectric generator manufacturing method RU2628677C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016107499A RU2628677C1 (en) 2016-03-01 2016-03-01 Thermoelectric generator manufacturing method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016107499A RU2628677C1 (en) 2016-03-01 2016-03-01 Thermoelectric generator manufacturing method

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2628677C1 true RU2628677C1 (en) 2017-08-21

Family

ID=59744711

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016107499A RU2628677C1 (en) 2016-03-01 2016-03-01 Thermoelectric generator manufacturing method

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2628677C1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006116323A2 (en) * 2005-04-21 2006-11-02 Chien-Min Sung Diamond-like carbon thermoelectric conversion devices and methods for the use and manufacture thereof
RU2303834C2 (en) * 2005-06-22 2007-07-27 Общество с ограниченной ответственностью "ТЕХНОПРОЕКТ" Thermoelectric generator (alternatives) and method for its manufacture
RU128396U1 (en) * 2012-11-20 2013-05-20 Общество с ограниченной ответственностью "СмС тензотерм Рус" PHOTOELECTRIC CONVERTER
RU2548062C2 (en) * 2012-12-27 2015-04-10 Общество с ограниченной ответственностью "СмС тензотерм Рус" Thermoelectric generator based on samarium sulphide alloyed by atoms of lanthanides family and method of its fabrication (versions)
RU2569523C1 (en) * 2014-06-27 2015-11-27 Общество с ограниченной ответственностью "СмС тензотерм Рус" Method for obtaining samarium monosulphide-based semi-conductor material

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006116323A2 (en) * 2005-04-21 2006-11-02 Chien-Min Sung Diamond-like carbon thermoelectric conversion devices and methods for the use and manufacture thereof
RU2303834C2 (en) * 2005-06-22 2007-07-27 Общество с ограниченной ответственностью "ТЕХНОПРОЕКТ" Thermoelectric generator (alternatives) and method for its manufacture
RU128396U1 (en) * 2012-11-20 2013-05-20 Общество с ограниченной ответственностью "СмС тензотерм Рус" PHOTOELECTRIC CONVERTER
RU2548062C2 (en) * 2012-12-27 2015-04-10 Общество с ограниченной ответственностью "СмС тензотерм Рус" Thermoelectric generator based on samarium sulphide alloyed by atoms of lanthanides family and method of its fabrication (versions)
RU2569523C1 (en) * 2014-06-27 2015-11-27 Общество с ограниченной ответственностью "СмС тензотерм Рус" Method for obtaining samarium monosulphide-based semi-conductor material

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Sullivan Diffusion and solubility of Cu in CdS single crystals
Johansen Electrical conductivity in evaporated silicon oxide films
Coroa et al. Highly transparent copper iodide thin film thermoelectric generator on a flexible substrate
Kwak et al. Thermoelectric power in Hubbard-model systems with different densities: N-methylphenazinium-tetracyanoquinodimethane (NMP-TCNQ), and quinolinium ditetracyanoquinodimethane
Elliot Thick junction radiation detectors made by ion drift
RU2548062C2 (en) Thermoelectric generator based on samarium sulphide alloyed by atoms of lanthanides family and method of its fabrication (versions)
US4261764A (en) Laser method for forming low-resistance ohmic contacts on semiconducting oxides
RU2628677C1 (en) Thermoelectric generator manufacturing method
RU2303834C2 (en) Thermoelectric generator (alternatives) and method for its manufacture
Gupta et al. Determination of contact resistivity by the Cox and Strack method for metal contacts to bulk bismuth antimony telluride
Sebastian et al. Instability in resistance and variation of activation energy with thickness and deposition temperature of CdSe0. 6Te0. 4 thin films deposited at high substrate temperatures
Lynton et al. Boundary scattering effects on the superconducting transition temperature of Indium
Yilmaz et al. Space-charge-limited current analysis in amorphous InSe thin films
Wang et al. Characterization of stacked hafnium oxide (HfO2)/silicon dioxide (SiO2) metal-oxide-semiconductor tunneling temperature sensors
Keffous et al. 40 Å Platinum–porous SiC gas sensor: investigation sensing properties of H2 gas
Sekushin et al. Electronic-Ionic Processes in Bi 2 Cu 0.5 Mg 0.5 Nb 2 O 9 with Pyrochlore Structure
RU2341782C2 (en) Diamond detector
Ni et al. Oxygen content dependence of the photovoltaic characteristic of miscut manganite thin films
Kafadaryan et al. The effect of bottom LaB6 electrode and La2O3 interlayer on resistance switching in devices based on Li‐doped ZnO films
Aleksandrov et al. The effect of hydrogen on the conductivity of Ag-Pd thick film resistors
Skvortsov et al. Features of electrostimulated degradation of aluminum metallization on silicon surface in the presence of dielectric steps
Andreev et al. Metal–insulator phase transition in hydrogenated thin films of V 2 O 3
Biberian et al. Electrolysis of LaAlO3 single crystals and ceramics in a deuteriated atmosphere
Näfe Electronic conductivity of a solid oxide electrolyte in the low temperature range
Kharlamov et al. Electron chemoemission from metal to semiconductor