CN101752496A - 外加电场型温差发电热电堆电池及其制冷装置 - Google Patents

Abstract

外加电场型温差发电热电堆电池及其制冷装置，电池由p型与n型半导体组成，热源面设有与p型、n型半导体连接的导电板；p型与n型半导体与导电板之间为肖特基pn结区；背面设有正极板与负极板；热源面及背面分别设有上导热绝缘板与下导热绝缘板；特征是下导热绝缘板与电源正极板之间设有电隔离层，电隔离层下面设有外接电压的电场负极板；下导热绝缘板与电源负极板之间设有电隔离层，电隔离层下面设有外接电压的电场正极板；电场正极板和电场负极板之间设有外加电压；电堆导电板与外加电压的中点电压连接；在N型半导体和P型半导体内部形成调控电场。本发明通过外加电场，优化热电堆电池系统参数，提高了功率因子(α²σ)，提高了优值系数Z。

Description

外加电场型温差发电热电堆电池及其制冷装置

技术领域

本发明涉及一种外加电场型温差发电热电堆电池，尤其是通过外部电源为热电堆电池提供一个调控的电场，该电场可以增强肖特基p-n结区载流子扩散自建电场。提高热电材料ZT优值系数，形成转换效率较高的温差热电堆发电，以及热电制冷的电堆装置。本发明还涉及这种外加电场型温差发电热电堆构成的制冷装置。

背景技术

当前热电堆电池的基本结构，都是采用p型半导体、n型半导体所组成的具有肖特基p-n结特征的热电堆电池，参看附图1所示。

热电堆电池是由：电源正极板2.1、电源负极板2.2、p型半导体2.3、n型半导体2.4、电堆导电板2.5、上导热绝缘板2.6、下导热绝缘板2.7、pn结2.8所组成。

图中E_R是热电堆电池p型半导体-电堆导电金属板-n型半导体结合，所形成的肖特基势垒层的自建电场E_R，E_R电场方向从n区指向p区。I_R是热电堆电池输出电流。

n型半导体是在本征半导体材料中，掺入杂质使自由电子浓度大大增加，称为N型(电子型)半导体。P型半导体在本征半导体中，掺入杂质使空穴浓度大大增加，称为p型(空穴型)半导体。

当热辐射体的热辐射能量通过热电堆电池肖特基结区(热电对)，并热辐射能大于肖特基区能隙时，热辐射能被肖特基结区的电子和空穴对吸收，提高电子和空穴对的势能。高势能的电子和空穴对会分别受到肖特基结区自建电场E_R的影响，分别流向n区集电板与p区集电板放热，并在n区集电板、p区集电板与负载之间产生热电流I_Q。

多晶材料的热电堆电池内自建电场E_R，是电池本身的特征参数。所以，影响多晶材料热电堆电池的自建电场E_R，主要有以下三个方面影响：

1、晶粒间界处存在势垒，阻断载流子的通过，导电率降低。

2、晶粒间界作为一种晶体缺陷，起着有效复合正负载流子对中心作用。

3、金属直接与半导体结合的肖特基结区，在半导体结合面表现正负载流子对复合几率增大。

发明内容

为了提高热电堆电池转换效率，本发明提供一种电场型温差发电热电堆电池结构，尤其是通过外部电源接入电场型热电堆电池的电场极，形成一个增强与稳定电池内自建电场E_R，提高热电材料ZT优值系数，形成转换效率较高的电场型温差发电结构的电池。本发明还将提供由这种外加电场型热电堆构成的制冷装置。由于热电堆具有温差发电与热电制冷可逆工作方式，所以，电场型热电堆也可以形成热电制冷的电堆装置。

实现本发明目的技术方案是：

一种外加电场型温差发电热电堆电池，由p型半导体、n型半导体组成，在该热电堆电池的热源面，设有与p型半导体、n型半导体连接的电堆导电板(也称为导电金属板)；p型半导体与n型半导体与该电堆导电板之间分别为肖特基pn结区；在该热电堆电池的背面，电源正极板与电源负极板分别与p型半导体、n型半导体连接；同时，在该热电堆电池的热源面及其背面，分别设置有上导热绝缘板与下导热绝缘板；其特征在于，在所述的下导热绝缘板与电源正极板之间，设有电隔离层，该电隔离层下面设有外接电压(或称为外加电压，或外接电源)的电场负极板；在所述的下导热绝缘板与电源负极板之间，设有电隔离层，该电隔离层下面设有外接电压的电场正极板；所述的外接电压的电场正极板和所述的外接电压的电场负极板之间，设有外加电压；所述的电堆导电板(也称为导电金属板)与该外加电压的中点电压连接；在N型半导体和P型半导体内部形成调控电场。

本发明通过外部电源接入外加电场型温差发电热电堆电池，在单个电堆电池加外电源电压范围0.5V≤V_W≤2V，其中电源电压V_W的大小与n区与p区选用的半导体材料，以及电场极板之间的电堆电池有效厚度L有关，厚度越大，电压越高，一般电堆电池有效厚度L在1.5mm≤L≤5mm之间，微电子型热电堆有效厚度L在0.15μm≤L≤500μm之间。

以上所述的电隔离层采用导热绝缘材料构成。

换言之，本发明的电场型温差发电热电堆电池结构中，n型半导体和p型半导体的同向一端，用导电金属板进行结合，在导电金属板与n型半导体和p型半导体的结合面，各自形成肖特基结区，并载流子扩散自建电场E_R/2，n型半导体-导电金属板-p型半导体自建电场总和为E_R，E_R电场方向从n区指向p区。n型半导体和p型半导体的另外一端分别通过各自结合的导电金属板，分别形成热电堆电池输出的负电极与正电极。在热电堆电池输出的负电极、正电极与n型半导体和p型半导体同向一端的导电金属板外侧，分别各自复合一层电隔离的外接电压的电场极板，电隔离层是导热绝缘材料。其中，n型半导体负电极复合的隔离电场极板接外接电压V_W正极，p型半导体正电极复合的隔离电场极板接外接电压V_W负极，n型半导体和p型半导体同向一端的导电金属板连接外接电压V_W串连电容的中点电压V_W/2，此时在n型半导体和p型半导体内部形成调控电场E_W。电场型热电堆电池结构，参看附图5所示。

热电堆电池温差发电与热电制冷是基于Seebeck(赛贝克)效应，Peltier(珀尔帖)效应。这一理论指出：优良的热电材料本身，应具有高的Seebeck系数α(其值为 $\mathrm{\α}=\frac{\mathrm{dV}}{\mathrm{dT}},$ 其单位V/℃)、低的热导率K、高的电导率σ，这三参数关联起来： $Z=\frac{{\mathrm{\α}}^2\mathrm{\σ}}{K}.$ 式中Z称为材料的热电优值系数。因为不同的热电材料都有各自的适宜工作温度范围，习惯上，人们常用热电优值系数与温度之积ZT这一无量纲量来描述材料的热电性能(T是材料的平均温度)。

当今提升热电材料本身Z值的方法一般有两种：一是提高其功率因子(α²σ)，二是降低其热传导系数(K)。

影响功率因子的物理机制包括散射参数、能态密度、载流子迁移度及费米能级等四项。而传统结构的热电堆在前三项是材料的本质性质无法改变。所以传统结构的热电堆，只能依靠选择更好更纯的热电材料来改进。而实际上能控制热电材料本身功率因子的物理量，可以通过本发明的方法，加入热电堆内部一个调控电场，提高能态密度、载流子迁移度，降低散射参数，以及通过改变半导体掺杂浓度来调整费米能级，以达到最大的α²σ值。

固体材料热传导系数(K)包括了晶格热传导系数(K_L)及电子热传导系数(Ke)，即K＝K_L+Ke。热电材料之热传导大部份是通过晶格来传导。晶格热传导系数(K_L)正比于热电材料的定容比热(CV)、声速、平均自由程三个基本物理量，前二个物理量是热电材料的本质，无法改变，而平均自由程则随材料中杂质或晶界的多寡而改变。所以当今对热电材料而言，在没有提出好的办法提高功率因子时，都集中在研究纳米结构，以及纳米线的低维结构特征和空心量子效应，可望充分限制声子传导，降低热电材料的热导率K，来提高材料的热电优值系数Z的目的。

为了提高多晶材料光伏电池与热电堆电池转换效率，所使用的半导体材料，应是落在元素周期表的金属与非金属转换线两侧的元素的化合物对。最常用的元素为：硅(Si)、锗(Ge)、铋(Bi)、锑(Sb)、碲(Te)、硒(Se)，以及半赫斯勒合金(half-Heusler)、方钴矿、金属氧化物等。

本发明的外加电场型热电堆电池可以串联使用。

完成本申请第2个发明任务的方案是：一种外加电场型热电堆制冷装置，由p型半导体、n型半导体组成，在该热电堆制冷装置的制冷面，设有与p型半导体、n型半导体连接的电堆导电板(也称为导电金属板)；p型半导体与n型半导体与该电堆导电板之间分别为肖特基pn结区；在该热电堆制冷装置的背面，电源正极板与电源负极板分别与p型半导体、n型半导体连接；同时，在该热电堆制冷装置的制冷面及其背面，分别设置有上导热绝缘板与下导热绝缘板；其特征在于，在所述的下导热绝缘板与电源正极板之间，设有电隔离层，该电隔离层下面设有外接电压的电场负极板；在所述的下导热绝缘板与电源负极板之间，设有电隔离层，该电隔离层下面设有外接电压的电场正极板；所述的外接电压的电场正极板和所述的外接电压的电场负极板之间，设有外加电压；所述的电堆导电板(也称为导电金属板)与该外加电压的中点电压连接；在N型半导体和P型半导体内部形成调控电场。

即，在所述的电场型热电堆电池的电源正极板与电源负极板上连接电源供电(外加电压同时存在)，将R负载换成制冷电源制冷电源，即可构成制冷装置，电池原来的热源面即成为制冷面。

外加电场型温差制冷热电堆，在单个电堆加外电源电压范围V_W≥1.5V₂，V₂为温差制冷热电堆供电电压。

换言之，本发明所述电场型热电堆制冷装置的具体结构是：电池电源正极板(4.1)、电池电源负极板(4.2)、P型半导体(4.3)、N型半导体(4.4)、电堆导电板(4.5)、电场负极板(4.7)、电场正极板(4.6)、上导热绝缘板(4.8)、下导热绝缘板(4.9)、电场电源V_W、电容(C1)、电容(C2)、制冷电源(V₂)所组成；电场型热电堆制冷装置结构中，电场负极板(4.7)、电场正极板(4.6)是复合在下导热绝缘板(4.9)之中，并且电场负极板(4.7)、电场正极板(4.6)与热电堆制冷装置各电极电气隔离；电场电源V_W输出端连接串联的电容(C1)、电容(C2)，两个电容的容量相等，串联的电容(C1)、电容(C2)连接中点的电压是V_W/2；电场电源V_W输出端正极与负极分别连接电场正极板(4.6)与电场负极板(4.7)，而串联的电容(C1)、电容(C2)连接中点的电压V_W/2连接电堆导电板4.5；此时电场正极板(4.8)与电堆导电板(4.5)之间N型半导体形成电场E_W，电堆导电板(4.5)与电场负极板(4.7)之间P型半导体形成电场E_W。

与电场型温差发电热电堆电池相同，本发明的电场型热电堆制冷装置也可以串联使用。

本发明的电场型热电堆电池结构是通过外加调控电场E_W，增强与稳定热电堆电池内部自建电场E_R，提高了Seebeck系数α，同时电场E_W+E_R对P区少子-负载流子，N区少子-正载流子，在热电堆电池输出负电极、正电极有阻挡和反射作用，既减少了正负载流子的之复合作用，而电场E_W能调整n区、p区多晶体晶粒间界势垒方向，增强载流子的迁移，提高了电导率σ。

所以电场型热电堆电池结构，是通过外加调控电场E_W，优化热电堆电池系统参数，提高了功率因子(α²σ)，达到提高优值系数Z的目的。

本发明通过外部电源接入外加电场型温差热电堆电池，而外部电源所形成的外部电场在E_W时，外加电场型温差热电堆电池材料Z₂值随载流子浓度与无电场型温差热电堆电池Z值随载流子浓度变化趋势值的对比图，参看附图5所示。

附图说明

图1为现有热电堆电池结构原理图；

图2为本发明电场型热电堆电池结构原理图；

图3为本发明电场型热电堆制冷片结构原理图；

图4串联电场型热电堆电池结构中外电场电源工作原理图。

图5外加电场型温差热电堆电池材料Z₂值随载流子浓度变化趋势图

具体实施方式

实施例1

参照附图2所示，本发明一种电场型热电堆电池结构是由：电池电源正极板4.1、电池电源负极板4.2、P型半导体4.3、N型半导体4.4、电堆导电板4.5、电场正极板4.6、电场负极板4.7、上导热绝缘板4.8、下导热绝缘板4.9、电场电源V_W、电容C1、电容C2、负载电阻R所组成。电场型热电堆电池结构中，电场负极板4.7、电场正极板4.6是复合在下导热绝缘板4.9之中，并且电场负极板4.7、电场正极板4.6与热电堆电池各电极电气隔离。电场电源V_W输出端连接串联的电容C1、电容C2，两个电容的容量相等，所以串联的电容C1、电容C2连接中点的电压是V_W/2。电场电源V_W输出端正极与负极分别连接电场正极板4.6与电场负极板4.7，而串联的电容C1、电容C2连接中点的电压V_W/2连接电堆导电板4.5。此时电场正极板4.6与电堆导电板4.5之间n型半导体形成电场E_W，电堆导电板4.5与电场负极板4.7之间p型半导体形成电场E_W。

参照附图2所示，本实施例一种电场型热电堆电池结构的工作原理是：通过外加调控电场E_W，增强与稳定热电堆电池内部自建电场E_R，提高了Seebeck系数α，同时电场E_W+E_R对P区少子-负载流子，N区少子-正载流子，在热电堆电池输出负电极、正电极有阻挡和反射作用，既减少了正负载流子的之复合作用，而电场E_W能调整N区、P区多晶体晶粒间界势垒方向，增强载流子的迁移，提高了电导率σ。所以电场型热电堆电池结构，是通过外加调控电场E_W，优化热电堆电池系统参数，提高了功率因子(α²σ)，达到提高优值系数Z的目的。

参照附图4所示，本实施例一种电场型热电堆电池结构，可以进行多个电场型热电堆电池串联连接，串联电场型热电堆电池结构中外电场电源工作原理图是3个电场型热电堆电池串联示意图。

实施例2

参看附图3所示，，本发明一种电场型热电堆制冷片结构是由：电源正极板5.1、电源负极板5.2、P型半导体5.3、N型半导体5.4、电堆导电板5.5、电场正极板5.6、电场负极板5.7、上导热绝缘板5.8、下导热绝缘板5.9、电场电源V_W、电容C1、电容C2、制冷电源V₂所组成。电场型热电堆制冷片结构中，电场负极板5.7、电场正极板5.6是复合在下导热绝缘板5.9之中，并且电场负极板5.7、电场正极板5.6与热电堆各电极电气隔离。电场电源V_W输出端连接串联的电容C1、电容C2，两个电容的容量相等，所以串联的电容C1、电容C2连接中点的电压是V_W/2。电场电源V1输出端正极与负极分别连接电场正极板5.6与电场负极板5.7，而串联的电容C1、电容C2连接中点的电压V_W/2连接电堆导电板5.5。此时电场正极板5.6与电堆导电板5.5之间n型半导体形成电场E_W，电堆导电板5.5与电场负极板5.7之间p型半导体形成电场E_W。

参照附图3所示，本实施例一种电场型热电堆制冷片结构的工作原理是：通过外加调控电场E_W，增强与稳定热电堆电池内部自建电场E_R，提高了Seebeck系数α，同时电场E_W+E_R对P区少子-负载流子，N区少子-正载流子，在热电堆电池输出负电极、正电极有阻挡和反射作用，既减少了正负载流子的之复合作用，而电场E_W能调整n区、p区多晶体晶粒间界势垒方向，增强载流子的迁移，提高了电导率σ，降低了热电堆内阻。所以电场型热电堆制冷片结构，是通过外加调控电场E_W，优化热电堆电池系统参数，提高了功率因子(α²σ)，达到提高优值系数Z的目的。

参照附图4所示，本发明的电场型热电堆发电与制冷片结构，可以进行多个电场型热电堆发电与制冷片串联连接。附图4中是3个电场型热电堆发电串联电路示意图(热电堆制冷工作，将R负载换成制冷电源)。电堆1的P型输出正电极与电堆2的N型输出负电极连接，电堆2的P型输出正电极与电堆3的N型输出负电极连接，电堆3的P型输出正电极与电堆1的N型输出负电极构成串连电场型热电堆的输出正、负极。电场电源V_W输出正、负电极连接有串连电容C1-C6。电场电源V_W输出正极连接电堆1电场正极板，电场电源V_W输出负极连接电堆3电场负极板。串联电容C1-C2的中间电压V_1-2连接电堆1的电堆导电板，串联电容C2-C3的中间电压V₂连接电堆1的P型电场负电极与电堆2的N型电场正电极，串联电容C3-C4的中间电压V_2-3连接电堆2的电堆导电板，串联电容C4-C5的中间电压V₃连接电堆2的P型电场负电极与电堆3的N型电场正电极，串联电容C5-C6的中间电压V_3-4连接电堆3的电堆导电板。

Claims (10)

1.一种外加电场型温差发电热电堆电池，由p型半导体、n型半导体组成，在该热电堆电池的热源面，设有与p型半导体、n型半导体连接的电堆导电板；p型半导体与n型半导体与该电堆导电板之间分别为肖特基pn结区；在该热电堆电池的背面，电源正极板与电源负极板分别与p型半导体、n型半导体连接；同时，在该热电堆电池的热源面及其背面，分别设置有上导热绝缘板与下导热绝缘板；其特征在于，在所述的下导热绝缘板与电源正极板之间，设有电隔离层，该电隔离层下面设有外接电压的电场负极板；在所述的下导热绝缘板与电源负极板之间，设有电隔离层，该电隔离层下面设有外接电压的电场正极板；所述的外接电压的电场正极板和所述的外接电压的电场负极板之间，设有外加电压；所述的电堆导电板与该外加电压的中点电压连接；在N型半导体和P型半导体内部形成调控电场。

2.根据权利要求1所述的电场型温差发电热电堆电池，其特征在于，所述的外加电压数值为：在单个电堆电池加外电源电压范围是：0.5V～3V。

3.根据权利要求1所述的电场型温差发电热电堆电池，其特征在于，所述电堆电池的效厚度为1.5mm～5mm；所述微电子型热电堆的有效厚度为0.15μm～500μm。

4.根据权利要求1所述的电场型温差发电热电堆电池，其特征在于，所述的电隔离层采用导热绝缘材料构成。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的电场型温差发电热电堆电池，其特征在于，所述电场型热电堆电池的具体结构是：电池电源正极板(4.1)、电池电源负极板(4.2)、P型半导体(4.3)、N型半导体(4.4)、电堆导电板(4.5)、电场负极板(4.7)、电场正极板(4.6)、上导热绝缘板(4.8)、下导热绝缘板(4.9)、电场电源V_W、电容(C1)、电容(C2)、负载电阻R所组成；电场型热电堆电池结构中，电场负极板(4.7)、电场正极板(4.6)是复合在下导热绝缘板(4.9)之中，并且电场负极板(4.7)、电场正极板(4.6)与热电堆电池各电极电气隔离；电场电源V_W输出端连接串联的电容(C1)、电容(C2)，两个电容的容量相等，串联的电容(C1)、电容(C2)连接中点的电压是V_W/2；电场电源V_W输出端正极与负极分别连接电场正极板(4.6)与电场负极板(4.7)，而串联的电容(C1)、电容(C2)连接中点的电压V_W/2连接电堆导电板4.5；此时电场正极板(4.8)与电堆导电板(4.5)之间N型半导体形成电场E_W，电堆导电板(4.5)与电场负极板(4.7)之间P型半导体形成电场E_W。

6.根据权利要求5所述的电场型温差发电热电堆电池，其特征在于，所述的若干个电场型热电堆电池串联，构成串联式电场型热电堆电池。

7.一种权利要求1所述的电场型温差发电热电堆电池构成的外加电场型热电堆制冷装置，由p型半导体、n型半导体组成，在该热电堆制冷装置的制冷面，设有与p型半导体、n型半导体连接的电堆导电板；p型半导体与n型半导体与该电堆导电板之间分别为肖特基pn结区；在该热电堆制冷装置的背面，电源正极板与电源负极板分别与p型半导体、n型半导体连接；同时，在该热电堆制冷装置的制冷面及其背面，分别设置有上导热绝缘板与下导热绝缘板；其特征在于，在所述的下导热绝缘板与电源正极板之间，设有电隔离层，该电隔离层下面设有外接电压的电场负极板；在所述的下导热绝缘板与电源负极板之间，设有电隔离层，该电隔离层下面设有外接电压的电场正极板；所述的外接电压的电场正极板和所述的外接电压的电场负极板之间，设有外加电压；所述的电堆导电板与该外加电压的中点电压连接；在N型半导体和P型半导体内部形成调控电场。

8.根据权利要求7所述的电场型热电堆制冷装置，其特征在于，所述电场型热电堆制冷装置的具体结构是：电池电源正极板(4.1)、电池电源负极板(4.2)、P型半导体(4.3)、N型半导体(4.4)、电堆导电板(4.5)、电场负极板(4.7)、电场正极板(4.6)、上导热绝缘板(4.8)、下导热绝缘板(4.9)、电场电源V_W、电容(C1)、电容(C2)、制冷电源(V₂)所组成；电场型热电堆制冷装置结构中，电场负极板(4.7)、电场正极板(4.6)是复合在下导热绝缘板(4.9)之中，并且电场负极板(4.7)、电场正极板(4.6)与热电堆制冷装置各电极电气隔离；电场电源V_W输出端连接串联的电容(C1)、电容(C2)，两个电容的容量相等，串联的电容(C1)、电容(C2)连接中点的电压是V_W/2；电场电源V_W输出端正极与负极分别连接电场正极板(4.6)与电场负极板(4.7)，而串联的电容(C1)、电容(C2)连接中点的电压V_W/2连接电堆导电板4.5；此时电场正极板(4.8)与电堆导电板(4.5)之间N型半导体形成电场E_W，电堆导电板(4.5)与电场负极板(4.7)之间P型半导体形成电场E_W。

9.根据权利要求7或8所述的电场型热电堆制冷装置，其特征在于，所述单个电堆的加外电源电压范围大于或等于1.5倍的温差制冷热电堆供电电压。

10.根据权利要求9所述的电场型热电堆制冷装置，其特征在于，所述的若干个电场型热电堆制冷装置串联，构成串联式电场型热电堆制冷装置。

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