CN101114690A - 用于将电磁辐射转换成电能的设备及相应工艺 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了一种将电磁辐射转换成电流的设备，该设备包括在传导正电荷载流子的材料的第一元件和传导负电荷载流子的材料的第二元件之间的多个结，所述多个结定义包括热结和冷结的多个热电偶，所述多个热电偶接收由沿着包括热结的区域的方向入射的辐射产生的热流，所述设备包括用于将所述辐射引导朝向所述多个热电偶的装置。根据本发明，所述传导正电荷载流子的材料的所述第一元件和/或传导负电荷载流子的材料的所述第二元件包括纳米结构的材料，且用于引导所述辐射的所述装置包括多个引导元件，所述多个引导元件将所述辐射引导至热电偶的各个第一元件和第二元件的暴露于所述辐射的面。

Description

用于将电磁辐射转换成电能的设备及相应工艺
技术领域
本发明涉及将电磁辐射转换成电能的设备，所述设备包含在传导正电荷载流子的材料的第一元件和传导负电荷载流子的材料的第二元件之间的多个结。
背景技术
在通过热电发生设备产生能量的领域中，已知的是可以利用塞贝克(Seebeck)效应，利用分别传导正电荷载流子和传导负电荷载流子的一对不同导体的性能，通过两个金属结在其端部被连接，从而在温度差施加于这些结时产生电压。
塞贝克效应广泛开发用于生产已知为热电偶的温度传感器，但也应用于热电产生能量，特别是采用具有p型导电和n型导电的半导体热电偶。
图1以框图的形式示出了这种类型的热电偶10的例子，该热电偶包括n型半导体材料元件11和p型半导体材料元件12，这两个元件基本上都呈柱状和平行六边形的形状，两个元件在其端部之一通过冷金属结13连接，该冷金属结覆盖有散热的陶瓷层15。在半导体材料元件11和12的另一个端部，类似地连接到热金属结14，该热金属结覆盖有相应的陶瓷层16。如图2更清楚地示出，相对于所产生的电流Ig，多个热电偶10是根据串联布置相连接，而相对于由冷结温度Tc和热结温度Th确定的热流FT，该热电偶10则是并联布置。
术语“冷结”和“热结”从现在开始在所有情形中分别用于表示最少暴露于热源特别是辐射的结，以及最多暴露于热源的结，这在热电装置领域中是公知的。
热电发生设备的转换效率既取决于冷结的温度Tc和热结的温度Th，也取决于由用于热电偶的材料确定的品质因素ZT，其与塞贝克系数的平方以及电导成正比，且与电子热导及光子热导之和成反比。
近年来，纳米结构的材料使得可以将品质因素ZT的值从约1增大到大于3的值，无论是在体型材料内还是在包含超栅格、量子点、纳米线及其他类型纳米结构的材料内。
通常用于这种目的的体(大决的)材料为Bi2Te3/Sb2Te3、PbTe、TAGS和Si-Ge。其他也是已知的纳米结构体材料可细分为下述族群：方钴矿、clatrates、络合calcogenides、氧化物、霍斯勒合金、准晶体、五碲化物(Zr1-xHfxTe5等)、稀土、(Ce3Pt3Sb4等)、过渡金属的硅化物、碳化硼、Zn4Sb3、含铊的碲化物、以及Bi-Sb合金。
执行将辐射能量特别是太阳能转换成电能的热电系统例如从下述文章是已知的：Journal of Power Sources 115(2003)141-148，″Solar thermoelectric generator based on skutterudites″(基于方钴矿的太阳热电发电机)，H.Scherrer，L.Vikhor，B.Lenoir，A.Dauscher，P.Poinas或者Applied Thermal Engineering 23(2003)1407-1415，″Electrical performance of skutterudites solar，thermoelectric，generators″(方钴矿太阳能、热电、发电机的电性能)，B.Lenoir，A.Dauscher，P.Poinas，H.Scherrer，L.Vikhor。
除了改善材料之外，这种转换设备的效率无论如何也需要改善。
从德国专利申请No.DE10339952已知一种红外温度传感器装置，其半导体元件p和n串联布置。这种装置包括位于热结上方的辐射吸收层以产生热。透镜位于该层上方，从而将辐射聚焦到位于热结和绝缘层上的吸收层，该吸收层将辐射转变为热量。然而这种解决方案似乎复杂，需要添加在红外区尤其有效的吸收层。
本发明的目的是提供一种能够制作用于将电磁辐射转换成能量的设备的解决方案，该设备在传导正电荷载流子的材料的第一元件和传导负电荷载流子的材料的第二元件之间包括多个结，且具有高于已知系统的转换效率。
发明内容
根据本发明，提出了一种用于转换太阳能类型或者其他来源例如来自热辐射器的电磁辐射的设备，该设备通过热离子、热电和隧穿效应的总和来工作，从而由p型或n型的材料全部或者尽可能多地吸收入射电磁辐射谱。在吸收辐射的热结侧上，发生表面的加热，且因此在结构内产生引发热电和电子热发射的热梯度。直接入射到纳米结构特别是纳米簇上的辐射反过来引发隧穿电子的发射，该隧穿电子受到由热梯度引起的电动势的作用在纳米结构内级联流动。具体而言，这是通过下述方法实现的，即，将热结的面露出以直接接收入射辐射并通过恰当的辐射引导元件将辐射引导至这些露出面上。
根据本发明，通过具有所附权利要求中具体描述特性的将电磁辐射转换成电能的设备以及相应的转换工艺，实现了对太阳能谱或者一般而言的电磁辐射的几乎完全吸收。
附图说明
现在参考附图描述本发明，附图作为简单示例而非限制目的，附图中：
图1示出了根据已知技术的热电发生元件的框图形式；
图2示出了根据已知技术的热电发生设备的框图形式；
图3a示出了根据本发明的将电磁辐射转换成电能的设备的框图形式；
图3b示出了根据本发明的转换设备第一布置的原理图；
图3c示出了根据本发明的转换设备第二布置的原理图；
图4a、4b和4c示出了根据本发明转换设备的元件的第一变型；
图5a、5b和5c示出了根据本发明将电磁辐射转换成电能的转换设备的元件的第二变型；
图6a和6b示出了根据本发明的将电磁辐射转换成电能的设备的应用；
图7a和7b示出了根据本发明将电磁辐射转换成电能的设备的另一变型；
图8a和8b示出了根据本发明将电磁辐射转换成电能的设备的又一变型；
图9a和9b示出了图8a和8b中的发电设备的细节；
图10示出了图8a和8b中的发电设备的另一个变型。
具体实施方式
简言之，在与所产生电流串联且优选地与热梯度并联的配置中交替布置的p型和n型材料元件系统的场中，所提出的转换设备基本上要求夹置于具有p型和n型导电的元件对之间的装置，其在热侧上能将可以产生热、热离子发射和隧穿效应的辐射直接引导到热电偶元件上，由此避免了至该系统部件的不能产生能量的辐射损耗。根据本发明又一个方面，该热结金属连接制成为将端部暴露于辐射并关联这些装置以将辐射直接引导至金属连接上。
基于热离子发射的模块在许多方面可以视为基于纳米结构材料的热电子模块，其中材料的纳米尺寸实际上有助于热电发射。
元素或化合物在加热到足够高的温度时，开始发射电子。在空气中不可能注意到这种现象，因为发射的电子立即被周围空气的分子中和。然而在真空中，发射的电子会被吸引到正电极，因此可形成真正的电流。温度越高，电子发射越多。
在下述装置中也可以发生类似的现象：该装置完全处于固态，其中一个被加热且另一个被冷却的两个电极通过“势垒(barrier)”材料被分离以替代真空。在被加热的电极中，某些电子获得高能量(热电子)，因此这些电子可以穿过将其与第二电极分离的能量势垒。不会发生电荷沿相对方向的运动，因为在维持于较低温度的第二电极中，电子能量不足以穿过势垒。因此，温度差异产生了可以用于对外部负载供电的电流。
然而，热离子装置必须区别于热电装置，因为前者中的电荷输运为弹道类型而在后者中为扩散类型。这些装置的热动力学极限相同，其达到相同的可逆条件且此外在某些条件下可以用相同的输运方程来描述，例如在下述公开中所描述，″A Comparison Between Solid-state Thermionics and Thermoelectrics″(固态热离子和热电之间的比较)，T.E.Humphrey和M.F.O’Dwyer，Journal of AppliedPhysics 98，026108，2005或者″Efficiency in nanostructurethermionic and thermoelectric devices″(纳米结构热离子和热电装置中的效率)，M.F.O’Dwyer，T.E.Humphrey，R.A.Lewis和C.Zhang，Physical Review B，72，205330，2005。
在存在热梯度的复合纳米结构材料内部，可以区分两种不同的弹道类型电荷输运机制：热离子输运和由于隧穿效应引起的输运。
当两种不同材料(金属/半导体、半导体/半导体)接触时，存在于连接区域内的电荷被重新分布，直至达到能量平衡且因此靠近界面的能级折叠，形成了阻止电荷进一步再分布的电势势垒(假设载流子为电子，尽管对于空穴的情形，相似的考虑也成立)。势垒的高度E0和厚度d取决于金属和半导体的提取功(work of extraction)、取决于半导体的电负性、并取决于其带隙。
取决于势垒的高度和厚度，电子由于隧穿效应可以穿过该势垒或者被热激励高于该势垒。
在经历高的热结温度的热电装置中，主导的输运机制将是热离子类型，电流密度表征为：
j ∝ T 2 exp ( - eE 0 k B T )
然而，如果势垒厚度充分地减小(2～3nm)，则也将有助于与隧穿效应相关的电荷输运。在下述条件下发生隧穿：
[ h 2 E 0 ( 8 &pi; 2 m e d 2 ) ] - 1 / 2 k B T < < 1
其中me为热电材料中电子的有效质量，h为普朗克常数，且kB为波尔兹曼常数。
在经历热梯度的纳米结构材料中，如果存在金属纳米离子或半导体(直径1～5nm)以及如果热源为电磁辐射源，则必须考虑关联到电荷输运机制的另一个现象。
为此目的，考虑由量子点宏观团聚(半导体或金属)、浸入另一种材料的基体内的量子点阵列(半导体或金属)、或者布置形成纳米线的一系列量子点(半导体或金属)构成的p型或n型人工热电材料。
如果作用于这种类型热电材料的热源是电磁辐射源，则到达热电材料表面的光子会被存在于表面区域的量子点吸收，因为在所述量子点的能带结构内存在带隙。带隙的宽度取决于包含各个量子点的材料并取决于量子点的尺寸。因此，金属量子点也存在该带隙。当光子被吸收时，这些光子将电子驱离其能级，使其占据激发能级。这种状况下，电子可以容易地被驱逐(热能足够)并传导电流，该电流添加到由纯塞贝克效应、热离子效应和隧穿效应产生的电流。
图3a通过侧向剖面的框图形式示出了根据本发明的将电磁辐射转换成电能20的设备的第一实施例。
类似于图1所示的设备，该转换设备20提供了柱状的热电偶10，该热电偶由n型材料的元件11和p型材料的元件12构成。术语“柱状”是指包围p型材料和n型材料的包络的几何形状，例如平行六面体或截棱锥或者截圆锥形状，该形状特别地被纳米构造以最小化热传导且同时最大化电传导。正如图1和2中的情形，使用点线格栅表示n型材料的元件11，例如短元件n11，而使用菱形格栅表示p型半导体材料的元件12，例如短元件p12，从而更清楚地区分这些元件。
这些元件n11和p12因此基本上为平行六面体，在图3a所示示例中且在图3b的平面视图中更为清楚明显的是，其具有偏菱形截面的冷端面18和热端面19。冷侧的元件n11和p12通过覆盖端面18的冷金属结13连接。相反，在热侧，即在辐射R入射侧，元件11和12通过保证电荷载流子交换的导电结24连接，但是该导电结仅部分交叠在所述暴露的面19上，仅倚靠在热端面19的外围，并将这些热端面19基本上暴露于入射辐射R。
在基本上配置成元件n11和元件p12之间的桥的金属导体24上，安装有棱锥形微反射镜25。电介质层26夹置于热金属结24和棱锥形微反射镜25之间。因此，由于每个热结2 4都复制该结构，如从热端面19平面视图的图3b可以看出，转换器设备20基本上包括其中布置有棱锥形微反射镜25的元件n11和元件p12的矩阵。这些棱锥形微反射镜25能够将指向金属热结24的部分辐射R反射和引导至露出的热端面19，从而最大化与入射辐射R的耦合。为了进一步增大这种耦合，棱锥形微反射镜25还安装在图3a中的元件n11和p12之间、各个元件p12和后续的元件n11之间，其中在该串联配置中，在热侧上未提供有金属热结24。简言之，棱锥形微反射镜25夹置于各个元件n11和p12之间。
在图3b的平面视图中可以看出，热面19是沿菱形的轴排列的菱形形状，形成菱形配置，热面19之间的空间对应于棱锥形微反射镜25基底的正方形形状，该微反射镜因此可以容纳在元件n11和p12之间形成非常紧凑和有效的结构。为了简化说明，图3b并未示出金属结24。在图3b中，还以短划线示出电流Ig的路径，该路径沿着矩阵较短边遵从曲折的路程。
图3c示出了设备30的备选配置，其中元件n11和p12的热面39具有基本上正方形的截面且沿其侧边排列成棋盘配置。棱锥形微反射镜25的正方形基底恰当地旋转，插入到这些热面39之间的因此为正方形的空间。这种配置因此决定了短划线所示的电流Ig的第一曲折路径。因此可以按照基本上叉指的方式在该电流Ig第一路径内插入如点划线所示的第二电流Ig’的第二曲折路径，该第二曲折路径是通过第二交替串联的元件n11和p12类似地获得的，该第二交替串联的元件n11和p12在该情形中通过对角短划线栅格和垂直短划线栅格来表示，以将其与第一交替串联区分开。
清楚的是，设备30的配置还可以改变为螺旋配置或者共贯穿双螺旋配置。
参考图3a和3b的配置同样清楚的是，露出面19和39的所谓菱形和正方形形状首先且最重要的是指在菱形配置中沿其轴对齐，或者在棋盘配置中沿其侧边对齐的元件n11和p12的能力，显然具有等长轴的正方形和菱形确定相同的形状，除了取向以外。最后，在本公开中清楚的是，除了菱形、平行四边形、正方形和矩形之外，尺寸和形状的不同变型是可能的。优选地，各个棱锥形微反射镜25的基底的高和边之比必须等于或大于2.5，从而最大化对入射辐射R的接收角度。为了避免棱锥形微反射镜25在彼此上投下阴影，顺带可以依据例如下述专利申请中所示的技术，将不同高度的棱锥交替布置：本申请人的涉及具有预定粗糙度的抗反射表面的欧洲专利申请EP-A-766102。
图4a、4b和4c示出了可在这些图示中示出的元件n11和/或在元件p12的热面19上获得的全波长吸收结构50的三个不同实施例。该吸收结构50执行抗放射功能，工作时使得所有入射辐射R在热面19上被吸收，并使得反过来该热面19没有反射。吸收结构50和微反射镜25的协同工作因此导致该热电设备基本上吸收入射到其表面上的辐射R的100％。
在图4a中，该全波长吸收结构50制成为宽波段抗放射格栅50a的形式。
在图4b中，该全波长吸收结构50制成为单个棱锥形中空50b的形式。
在图4c中，该全波长吸收结构50制成为多个棱锥形中空50c的形式。
通过吸收黑层可以获得该吸收结构50。
图5a、5b和5c示出了分别与形式为宽波段抗放射格栅50a的吸收结构50、形式为单个棱锥形中空50b的吸收结构50、形式为多个棱锥形中空50c的吸收结构50相关联的形式为截棱锥形柱的元件51，其中热面19因此具有相对于冷面18更低的表面。这导致元件n11或p12的上部分维持在更高的温度，使得按照该方式，从热侧到冷侧的散逸在更低程度上侵害系统使热侧和冷侧温度相等的趋势。变化的截面不会减小推动电子朝热侧运动以及沿相反方向推动空穴的电动势。
图6a以横向截面图示出了转换器设备20的具体应用，该转换器设备被应用围绕其中热气GC流动的管道的壁60，例如围绕汽车排气管的壁。例如水或空气的冷却流体可以在转换器设备20外部，即，在冷侧上流动。图6b示出了热电设备20和管道的壁60的前视剖面图，由此可清楚地看出，具有微反射镜25的元件11和12的矩阵的多个矩形条被应用于壁60的圆周上。备选地，可以将元件11和12的矩阵应用到折叠和缠绕在管道周围的柔性底层上。
图7a示出了发电设备70的又一个实施例，该发电设备包括元件11和12交替串联并通过热结24连接的结构，其热面19露出，与图3a的设备20类似。然而，微透镜矩阵75作为引导辐射R的装置，替代了棱锥形微反射镜25，在图7b的平面视图中可以看到该微透镜矩阵75。
微透镜矩阵75将辐射R通过各个微透镜聚焦到元件n11或p12的热面19上。微透镜矩阵75可以被扇出元件类型的衍射光学元件或者一般的Damman光栅所替代。
根据一优选实施例，利用脉冲微等离子体团簇源PMCS技术沉积的纳米团簇复合物来提供元件n11和p12，由此低的沉积动能不会使团簇聚结在一起且因此允许团簇内的电子和空穴维持必要的能量离散化，从而有助于热离子效应和隧穿效应以及在暴露于辐射的侧和冷侧之间产生的电动势引起的团簇之间的库仑阻塞效应。
平行六面体或截棱锥形的柱优选地由文献中已知的纳米结构的材料制成，其中在该纳米结构的材料中电子流动(良好的电导)但是光子被散射(不良的热导)，该纳米结构的材料可以在量子点类型、纳米线、异质结、纳米复合物或纳米团簇的类别中确定。其中，尤其可以使用由锗和硅制成的纳米复合物，超光栅或纳米线的交替结构。
图8a和8b示出了发电设备170的平面配置，其中电磁辐射R被聚焦到例如n型的热电材料一侧上的区域172上，该热电材料在该平面内延伸，而不是如图3a和3b中热电偶那样垂直地延伸。
从图8a的横向视图可以看出，微透镜175将辐射聚焦到平面条形式的即沉积在绝缘底层180上的n型材料板111的热电元件上，从图8b的平面视图可以更好地看出，其中该微透镜175备选地也可以是微反射镜，优选地为折射或衍射类型或者又是Fresnel类型的圆柱形。如图9a所示，丝网印刷的p型接触112布置在绝缘底层180上。在这些丝网印刷的p型接触112上，部分沉积有n型热电材料小板。热侧用119表示，而冷侧用118表示。
辐射R优选地被聚焦到能够更好将热量分散遍布热电-热离子材料的热侧深度的多孔金属条110上。p型材料的轨迹和n型材料的板之间形成的热电偶可以依据各种可能的布置而连接在一起，由此一个元件的热侧连接到另一个元件的冷侧。热侧和冷侧之间的连接优选地是通过具有正塞贝克系数和低热导的p型材料的导电轨迹来实现，其中该导电轨迹可以是丝网印刷或蒸镀，或者通过溅镀、通过电镀、通过团簇束沉积或者优选地通过喷雾热分解而沉积。
p型导电轨迹必须优选地具有非常大的长度和厚度以及长度和宽度的比例，从而有利于热散逸，否则热侧和冷侧将趋于达到热稳定的条件。连接轨迹p的有限厚度不会减小轨迹本身的电导。p型的电学轨迹反过来可以通过叠加薄层来沉积，以进一步有利于热散逸。
n型热电材料随后沉积在p型电学接触上，该n型热电材料例如为方钴矿类型的材料，为单层或多个薄层，夹杂有纳米粒子以有利于从热侧到冷侧传播过程的热散射。
n型区块之间的连接可以通过贯穿p型轨迹的各种类型连接来实现，例如根据图9b所示的配置。
在转换器设备190的更常规配置中，用于连接的导电轨迹120可以是导电金属，且微透镜矩阵175的聚焦可以根据图10所示来实现，该图所示配置中，导电轨迹120是由导电材料制成，该导电材料例如为铜或银，或者一般为可以通过丝网印刷或蒸镀形成的良导体。
元件n111和p112在底层180上相邻布置，并通过这种导电轨迹120连接。因此在这种情况下，导电金属连接在导电轨迹120之后分别沉积的n型111和p型112热电元件的相同温度的侧。在一种可能配置中，该半导体材料可以是相同类型并在随后阶段原位掺杂，使得该半导体材料变为p型或n型。
刚刚描述的解决方案相对于已知解决方案可以获得显著的优点。
有利地，所述设备实际上可以除去反射入射辐射的陶瓷元件和金属元件并相反地实现辐射直接入射到热电元件上，这些热电元件有利地为纳米结构类型，具有异质结、纳米团簇或量子点，该纳米结构类型因此进一步放大了直接入射的优点，导致形成或有利于除了热电性能以外的另外物理现象，例如通过隧穿效应的热离子发射和传导。
此外，棱锥形或微透镜有助于通过纳米构造来制作，这与用于通过塞贝克效应转换电磁辐射并用于通过热离子和隧穿效应产生载流子的纳米结构串联的n和p形半导体的生产技术尤为兼容。
使用基于热电效应、热离子效应以及隧穿效应将太阳能转换成电能的装置，相对于目前使用的光伏解决方案在吸收功率方面有着显著的优势。
实际上，硅(结晶、多晶或非晶的)光伏电池具有近似介于350nm和1100nm之间的吸收谱，而到达地球表面的太阳能主要集中在400nm和2500nm之间的波段内。多结电池内多个结的组合使用使得可以实现吸收更大比例的太阳光谱，增大了电池的总效率，但是制作这类电池所需的复杂技术意味着这些电池非常昂贵。
相反，对于通过热电、热离子和隧穿效应操作装置的情形，能量既以热的形式也直接以纳米结构材料的辐射-电子相互作用的形式被吸收，整个太阳光谱被吸收并对电能的产生起贡献。制作这种装置的材料和技术不是非常昂贵，且这些装置本身实际上不需要任何维护并具有长的寿命。
当然，在不影响本发明的原理的情况下，可以针对仅通过示例方式在此描述和示出的构造和实施例的细节进行许多变化，而不背离本发明的范围。
棱锥形微反射镜还可以被CPC抛物镜(复合抛物面收集器)替换。
转换来自太阳、来自热源或来自核能源的电磁辐射的发电机有许多可能的应用。这些应用中可以列举出来的有，用于街道信号的电能发电机，用于应用于运输装置表面的在热结上收集太阳辐射并利用冷结和车辆顶部之间空气空间内的空气流的发电机，以及用于太空应用的发电机。

Claims (38)

1.一种将电磁辐射(R)转换成电流(Ig，Ig’)的设备，该设备包括在传导正电荷载流子的材料的第一元件(11；111)和传导负电荷载流子的材料的第二元件(12；112)之间的多个结，所述多个结定义包括热结(19)和冷结(18)的多个热电偶(10；111，112)，所述多个热电偶(10；111，112)接收由沿着包括热结(19)的区域(172)的方向入射的辐射(R)产生的热流(FT)，所述设备(20；30；70；170；190)包括用于将所述辐射(R)引导朝向所述多个热电偶(10；111，112)的装置(25；75；175)，其特征在于：传导正电荷载流子的材料的所述第一元件(11；111)和/或传导负电荷载流子的材料的所述第二元件(12；112)包括纳米结构的材料，且用于引导所述辐射(R)的所述装置包括多个引导元件(25；75)，所述多个引导元件将所述辐射(R)引导至所述热电偶(10)的各个第一元件(11)和第二元件(12)的暴露于所述辐射(R)的面(19；39；119)。
2.如权利要求1所述的设备，其特征在于：传导正电荷载流子的材料的所述第一元件(11；111)和/或传导负电荷载流子的材料的所述第二元件(12；112)配置成当直接接收所述电磁辐射(R)时，引发热电性能、热电子发射和隧穿电子发射。
3.如权利要求1或2所述的设备，其特征在于：所述多个热电偶(10)相对于所产生的电流(Ig；Ig’)串联布置，相对于由入射在所述多个热电偶(10)上的辐射(R)产生的热流(FT)并联布置。
4.如权利要求3所述的设备，其特征在于：所述暴露面(19)通过仅部分交叠在所述暴露面(19；39)上的金属结(24)电连接。
5.如权利要求3所述的设备，其特征在于：各个热电偶元件的所述暴露面(19；39)包括用于吸收所述辐射(R)的抗反射元件(50a；50b；50c)。
6.如权利要求3至5中一项或多项所述的设备，其特征在于：所述第一材料和/或第二材料为呈现复合物或团簇纳米结构的半导体。
7.如权利要求3至6中一项或多项所述的设备，其特征在于：所述多个引导元件(25；75)包括微反射镜(25)。
8.如权利要求7所述的设备，其特征在于：所述微反射镜(25)为棱锥形。
9.如权利要求7所述的设备，其特征在于：所述微反射镜(25)安装在一个或多个所述金属结(24)上。
10.如权利要求9所述的设备，其特征在于：电介质层(26)夹置于所述微反射镜(25)和所述金属结(24)之间。
11.如权利要求10所述的设备，其特征在于：所述棱锥形微反射镜(25)的基底的高和边之间的比例为大于或等于2.5。
12.如权利要求11所述的设备，其特征在于：所述棱锥形微反射镜(25)具有交替不同的高度。
13.如权利要求3至6中一项或多项所述的设备，其特征在于：所述多个引导元件(25；75)包括CPC抛物镜。
14.如权利要求3至6中一项或多项所述的设备，其特征在于：所述多个引导元件(25；75)包括微透镜矩阵(75)。
15.如权利要求3至6中一项或多项所述的设备，其特征在于：所述多个引导元件(25；75)包括扇出元件类型的光学衍射元件。
16.如权利要求3至6中一项或多项所述的设备，其特征在于：所述多个引导元件(25；75)包括Damman光栅元件。
17.如权利要求3至6中一项或多项所述的设备，其特征在于：所述多个引导元件(25；75)包括折射微光学元件。
18.如权利要求3至17中一项或多项所述的设备，其特征在于：所述多个电偶(19)布置成矩阵形式。
19.如权利要求18所述的设备，其特征在于：所述热电偶的矩阵(10)包括具有偏菱形截面的沿其轴之一排列以确定菱形矩阵的元件(11，12)。
20.如权利要求18所述的设备，其特征在于：所述热电偶的矩阵(10)包括具有正方形截面的沿其边排列以确定曲折路径的元件(11，12)。
21.如权利要求20所述的设备，其特征在于：包括按照叉指方式布置的多个曲折路径(Ig，Ig’)。
22.如权利要求3至21中一项或多项所述的设备，其特征在于：通过结(24)连接的第一传导类型的半导体材料的所述第一元件(11)和/或第二传导类型的半导体材料的所述第二元件(12)为截棱锥形柱状。
23.如权利要求5至22中一项或多项所述的设备，其特征在于：所述吸收结构(50)包括宽波段抗反射光栅(50a)。
24.如权利要求5至22中一项或多项所述的设备，其特征在于：所述吸收结构(50)包括棱锥形腔体(15b)。
25.如权利要求5至22中一项或多项所述的设备，其特征在于：所述吸收结构(50)包括多个棱锥形腔体(50c)。
26.如权利要求5至22中一项或多项所述的设备，其特征在于：所述吸收结构(50)包括黑色吸附剂层。
27.如权利要求1或2所述的设备，其特征在于：所述多个热电偶(111，112)相对于所产生的电流(Ig；Ig’)是串联布置，并在绝缘基板(180)上布置成平面配置。
28.如权利要求27所述的设备，其特征在于：所述热电偶(111，112)的所述第一元件(111)和所述第二元件(112)布置成交叠在所述基板(180)上的层且相对于所述热流(FT)串联布置，以及所述引导元件(175)将所述辐射(R)引导至与所述第一元件(111)或第二元件(112)的热结(119)相关联的区域(172)内所述热电偶(111，112)的各个第一元件(111)或第二元件(112)的暴露于所述辐射(R)的面(19)上。
29.如权利要求27或28所述的设备，其特征在于：所述第一元件(111)或第二元件(112)之一在所述底层(180)上丝网印刷或蒸镀成轨迹。
30.如权利要求27所述的设备，其特征在于：所述第一元件(111)和所述第二元件(112)在所述基板(180)上布置于相邻层内且相对于所述热流(FT)并联布置，以及所述引导元件(175)将所述辐射(R)引导至与所述第一元件(111)或第二元件(112)的热结(119)相关联的区域(172)内所述热电偶(111，112)的各个第一元件(111)或第二元件(112)的暴露于所述辐射(R)的面(119)上。
31.如权利要求27或后续权利要求所述的设备，其特征在于：所述引导元件(175)包括圆柱形微反射镜或微透镜。
32.如权利要求1或后续权利要求所述的设备，其特征在于：传导正电荷载流子的材料的所述第一元件(11；111)和/或传导负电荷载流子的材料的所述第二元件(12；112)包括具有良好电导和不良热导的纳米团簇或纳米线或异质结或量子点或纳米复合物。
33.如权利要求32所述的设备，其特征在于：所述团簇通过PMCS(脉冲微等离子体团簇源)技术来沉积，维持低的动能以避免团簇聚结在一起并因此允许载流子在所述团簇内维持必要的能量离散化，以有助于热离子效应、隧穿效应以及在暴露于辐射的侧和冷侧之间产生的电动势引起的团簇之间的库仑阻塞效应。
34.如权利要求33所述的设备，其特征在于：所述纳米复合物为锗-硅纳米复合物。
35.如权利要求1或后续权利要求所述的设备，其特征在于：所述纳米结构材料包括选自包含下述材料的组的大块材料：方钴矿、clatrates、络合calcogenides、氧化物、霍斯勒合金、准晶体、五碲化物(Zr1-xHfxTe5等)、稀土(Ce3Pt3Sb4等)、过渡金属的硅化物、碳化硼、Zn4Sb3、含铊的碲化物、Bi-Sb合金。
36.如权利要求1或27或32所述的设备，其特征在于：所述纳米结构材料包括单层或具有多层的方钴矿类型的大块材料，所述材料夹杂有纳米粒子以助于热散射。
37.如一个或多个上述权利要求所述的设备，其特征在于：所述设备关联到其中热气(GC)流动的管道。
38.将电磁辐射(R)转换成电流(Ig)的过程，包括下述操作：
提供介于传导正电荷载流子的材料的第一元件(11；111)和传导负电荷载流子的材料的第二元件(12；112)之间的多个结，以定义包括热结(19)和冷结(18)的多个热电偶(10；110)，所述多个热电偶(10；110)接收由沿着包括所述热结(19)的区域(172)的方向入射的辐射(R)产生的热流(FT)；以及
将所述辐射(R)引导朝向所述多个热电偶(10；111，112)，其特征在于：
在传导正电荷载流子的材料的所述第一元件(11；111)和/或传导负电荷载流子的材料的所述第二元件(12；112)内提供纳米结构的材料，且所述辐射(R)被直接引导至所述热电偶(10)的各个第一元件(11)和第二元件(12)的暴露于所述辐射(R)的面(19；39；119)。
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102823005A (zh) * 2010-03-30 2012-12-12 德克萨斯仪器股份有限公司 半导体热电偶和传感器
CN102903840A (zh) * 2012-10-16 2013-01-30 上海大学 利用印刷电子制造工艺组装热电器件的方法
CN104659137A (zh) * 2014-12-22 2015-05-27 电子科技大学 一种全固态光子增强热电子发射器件
TWI577036B (zh) * 2014-06-27 2017-04-01 英特爾股份有限公司 基於矽貫通孔的光伏打電池

Families Citing this family (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102006036463A1 (de) * 2006-08-04 2007-08-02 Mahesh Chandra Dwivedi Vorrichtung zur Sammlung, zum Speichern und zur Abgabe von Energie
US7608905B2 (en) * 2006-10-17 2009-10-27 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Independently addressable interdigitated nanowires
FR2919759A1 (fr) * 2007-08-02 2009-02-06 Chambre De Commerce Et D Ind D Procede et generateur thermoelectrique/thermoionique de conversion d'ondes electromagnetiques par des superreseaux
US20090250096A1 (en) * 2008-04-07 2009-10-08 Eric Ting-Shan Pan Solar-To-Electricity Conversion Sub-Module
CN102150021B (zh) * 2008-09-09 2013-11-06 台湾积体电路制造股份有限公司 平面热电堆红外线微传感器
CN102272940B (zh) * 2008-11-04 2015-09-23 伊顿公司 用于住宅和工业建筑的太阳能/热(chp)热电联产
CN101447548B (zh) * 2008-12-26 2011-03-30 中国科学院上海硅酸盐研究所 热电器件的制作方法
CN101894903B (zh) * 2010-06-25 2012-03-28 清华大学 光电转换装置
US20120052610A1 (en) * 2010-09-01 2012-03-01 Gabriel James Tambunga Total internal reflection energy/heat source
ITVA20100075A1 (it) * 2010-10-12 2012-04-13 Soleana Anstalt Struttura di captazione e relativo generatore foto-termoelettrico da fonte solare a termopila di termocoppie metalliche
WO2012158709A1 (en) 2011-05-16 2012-11-22 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Thermally managed led arrays assembled by printing
US9385292B2 (en) * 2011-11-10 2016-07-05 Alcatel Lucent Geothermally-cooled solar thermoelectric energy harvester
DE102012105367A1 (de) * 2012-02-24 2013-08-29 O-Flexx Technologies Gmbh Thermoelektrisches Modul und Herstellungsverfahren
US20170005253A1 (en) * 2015-03-30 2017-01-05 Harold Winslow Radiance Capture Techonolgy
JP6778919B2 (ja) * 2016-03-15 2020-11-04 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 熱電変換素子および熱電変換モジュール
KR20210098474A (ko) * 2018-11-21 2021-08-10 마크 더존 방사선 구동식 고 선량률 및 고 선량 방사선 센서
FR3114689B1 (fr) * 2020-09-29 2022-10-14 Commissariat Energie Atomique Procédé de fabrication de dispositif thermoélectrique par fabrication additive de peignes à contacter entre eux
US20230221188A1 (en) * 2022-01-07 2023-07-13 Baker Hughes Oilfield Operations Llc High temperature sensor and system

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
IT1156794B (it) * 1978-06-02 1987-02-04 Cnen Generatore elettrico solare a conversione diretta
WO1980001438A1 (en) * 1979-01-02 1980-07-10 E Gomez Energy production and storage apparatus
US4251291A (en) * 1979-02-01 1981-02-17 Gomez Ernesto E Thermoelectric generator with latent heat storage
US4710588A (en) * 1986-10-06 1987-12-01 Hughes Aircraft Company Combined photovoltaic-thermoelectric solar cell and solar cell array
DK170125B1 (da) * 1991-01-22 1995-05-29 Yakov Safir Solcellemodul
GB9307689D0 (en) * 1993-04-14 1993-06-02 King Peter Differential voltage cell
IT1281359B1 (it) 1995-09-26 1998-02-18 Fiat Ricerche Superficie anti-riflettente a rugosita' predeterminata, particolarmente per plance di autoveicoli
CN1127156C (zh) * 1997-08-01 2003-11-05 时至准钟表股份有限公司 热电元件及其制造方法
US6313391B1 (en) * 1999-04-02 2001-11-06 Russell M. Abbott Solar power system using thermal storage and cascaded thermal electric converters
DE19919023C2 (de) * 1999-04-27 2001-04-26 Fraunhofer Ges Forschung Vorrichtung zur Erzeugung elektrischer Energie durch thermophotovoltaische Konversion
JP2003189646A (ja) * 2001-12-14 2003-07-04 Norio Akamatsu 太陽光エネルギー変換装置および太陽光エネルギー変換システム
JP2003322419A (ja) * 2002-04-30 2003-11-14 L C Chen Leon 住宅用電力発電システムの太陽光複合集束機
DE10339952A1 (de) * 2003-08-29 2005-04-07 Infineon Technologies Ag Detektionsvorrichtung zur kontaktlosen Temperaturmessung
US7465871B2 (en) * 2004-10-29 2008-12-16 Massachusetts Institute Of Technology Nanocomposites with high thermoelectric figures of merit

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102823005A (zh) * 2010-03-30 2012-12-12 德克萨斯仪器股份有限公司 半导体热电偶和传感器
CN102903840A (zh) * 2012-10-16 2013-01-30 上海大学 利用印刷电子制造工艺组装热电器件的方法
TWI577036B (zh) * 2014-06-27 2017-04-01 英特爾股份有限公司 基於矽貫通孔的光伏打電池
CN104659137A (zh) * 2014-12-22 2015-05-27 电子科技大学 一种全固态光子增强热电子发射器件

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