CN102832332A - 柔性微型热电发生器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种热电发生器，尤其是一种柔性微型热电发生器及其制造方法，属于热电发生器的技术领域。按照本发明提供的技术方案，所述柔性微型热电发生器，包括柔性衬底，所述柔性衬底上设置若干交替分布的N型热电材料层及P型热电材料层，所述N型热电材料层通过导电连接层与P型热电材料层串联后电连接，以在柔性衬底上形成若干串接的热电对。本发明通过柔性衬底，提高热电发生器的集成度，N型热电材料层、P型热电材料层及导电连接层均采用丝网印刷工艺制备得到，工艺步骤简单，与现有工艺技术相兼容，降低制造成本，结构简单紧凑，提高发电效率，安全可靠。

Description

柔性微型热电发生器及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种热电发生器，尤其是一种柔性微型热电发生器及其制造方法，属于热电发生器的技术领域。 

背景技术

由于便携式电子产品日益增长的微型化趋势，推动了小型化电源的研究和发展。热电发生器作为一种自给自足的能源，它根据Seebeck效应能将热能直接转换为电能，在适合的温度下能保持实际上的无限的有效寿命，这使其作为一种能源领域的高新技术成为国际研究的热点之一。 

热电发生器一般由三部分组成：热源、热沉和热电堆。热电堆是由一系列串联的能够将热能转换成电能的热电对组成（图示2）。热电对由不同类型的N/P型热电材料组成，当其两端，即热源端和热沉端，出现温度梯度时，其两端可产生电势差,如图示1中所示。 

热电器件的主要工作原理是基于Seebeck效应。Seebeck效应是德国物理学家Seebeck发现的一种热电现象。当在金属导体或者半导体结构上加上温度差ΔT时，会伴随产生电压ΔU。并且开路电压线性地正比于温差： 

${\mathrm{\α}}_s=\frac{\mathrm{\ΔU}}{\mathrm{\ΔT}}$

其中，α_s称作Seebeck系数，也可称为热电功率。如果热电偶的两种构成材料的Seebeck系数分别为α_a和α_b，则热电偶的Seebeck系数定义为： 

α_ab＝α_a+α_b

当n对热电偶串联时，总的开路输出电压可表示为ΔU_n： 

ΔU_n=n·(α_ab·ΔT) 

根据Seebeck效应而制作的热电发生器，其效率可由热电品质因数Z来表征： 

$Z=\frac{{\mathrm{\α}}_s^2\·\mathrm{\σ}}{\mathrm{\κ}}$

其中，σ是电导率，κ是热导率，品质因数Z表示可用在热电发生器中的热电材料的热和电属性。 

L/A也是影响热电器件产生电压大小的关键参数，L和A分别是单个热电导电体的长度和横截面积，高的L/A比值对应着高的热电产生电压。传统的块状热电材料制备的热电器件，L/A一般不超过20cm^-1，但薄膜热电材料制备的热电单元可以达到1000cm^-1甚至10000cm^-1。 

对于热电器件来说，高品质因数Z的热电材料是最佳选择，但在一定的热电器件中，人们更关心，在一定电压下器件的输出功率以及该器件的集成程度。对于很多高品质因数的热电材料来说，难于制备成薄膜，这也限制了它们在微型器件制备中的应用。就薄膜热电材料的制备而言，国内外也有很多研究和报导。有报导称制备的Bi-Te/Sb-Te超晶格热电器件的品质因数超过了2.0，但这种 材料需要以GaAs单晶做基底进行生长，而且很难将几百或者几千对这样的单元进行集成并封装。而现今比较有效的方式是采用溅射/蒸镀沉积的方法，此方法可以适用于多种衬底，如陶瓷，硅片，柔性薄膜等。但此方法技术和成本都要求较高。 

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种柔性微型热电发生器及其制造方法，其工艺简单方便，制造成本低，集成度高，发电效率高，安全可靠。 

按照本发明提供的技术方案，所述柔性微型热电发生器，包括柔性衬底，所述柔性衬底上设置若干交替分布的N型热电材料层及P型热电材料层，所述N型热电材料层通过导电连接层与P型热电材料层串联后电连接，以在柔性衬底上形成若干串接的热电对。 

所述导电连接层包括导电连接体、N型热电材料连接层或P型热电材料连接层。 

所述柔性衬底上设有下绝缘绝热层，所述串接的热电对位于下绝缘绝热层上，热电对上覆盖有上绝缘绝热层。 

所述N型热电材料层、P型热电材料层及导电连接层均通过丝网印版印制于柔性衬底上。 

一种柔性微型热电发生器的制造方法，所述热电发生器的制造方法包括如下步骤： 

a、提供所需柔性衬底； 

b、在上述柔性衬底通过丝网印刷印制若干N型热电材料层、P型热电材料层及导电连接层，所述N型热电材料层通过导电连接层与P型热电材料层串联后电连接； 

c、对上述N型热电材料层、P型热电材料层进行热退火。 

所述步骤b中，在柔性衬底上印制下绝缘绝热层，所述N型热电材料层、P型热电材料层及导电连接层均印制在下绝缘绝热层上。 

还包括步骤d、在上述柔性衬底上印制上绝缘绝热层，并对所述上绝缘绝热层进行干燥；所述上绝缘绝热层覆盖于所述N型热电材料层、P型热电材料层及导电连接层上。 

所述柔性衬底包括PI薄膜。 

所述导电连接层包括导电连接体、N型热电材料连接层及P型热电材料连接层。 

所述导电连接层为导电连接体时，所述导电连接体的材料包括Ag；所述导电连接层为N型热电材料连接层时，所述N型热电材料连接层与N型热电材料层为同一制造层；所述导电连接层为P型热电材料连接层时，所述P型热电材料连接层与P型热电材料层为同一制造层。 

本发明的优点：通过柔性衬底，提高热电发生器的集成度，N型热电材料层、P型热电材料层及导电连接层均采用丝网印刷工艺制备得到，工艺步骤简单， 与现有工艺技术相兼容，降低制造成本，结构简单紧凑，提高发电效率，安全可靠。 

附图说明

图1为热电发生器的原理示意图。 

图2为热电对中的连接示意图。 

图3为本发明的结构示意图。 

图4为图3的C-C向剖视图。 

图5为单个热电对的示意图。 

图6为本发明导电连接层采用N型热电材料连接层的示意图。 

图7为本发明导电连接成采用P型热电材料连接层的示意图。 

图8为本发明设置上绝缘绝缘材料层的结构示意图。 

附图标记说明：100-第一热电发生器、101-第二热电发生器、102-第三热电发生器、110-柔性衬底、120-下绝缘绝热层、130-导电连接层、131-N型热电材料层、132-P型热电材料层、133-N型热电材料连接层、134-P型热电材料连接层及140-上绝缘绝热层。 

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。 

如图3、图4和图5所示：本发明包括柔性衬底110，所述柔性衬底110上设置若干交替分布的N型热电材料层131及P型热电材料层132，所述N型热电材料层131通过导电连接层130与P型热电材料层132串联后电连接，以在柔性衬底110上形成若干串接的热电对；通过多个热电对串接后能够得到较多的电能，N型热电材料层131与相邻的P型热电材料层132通过导电连接层130电连接后能够形成一个热电对。一般地，N型热电材料层131与P型热电材料层132在柔性衬底110上平行分布。如图5所示：图中的L是指热电对中N型热电材料层131、P型热电材料层132的长度，A为N型热电材料层131、P型热电材料层132的截面，根据背景技术的描述可知，L/A是影响热电发生器产生电压大小的关键参数，本发明实施例中可以根据需要设置L/A的比值，一般地可使L/A达到1000甚至更高。N型热电材料层131、P型热电材料层132中采用的热电材料包括具有热电特性的单质或单质的化合物。 

为了增强热电材料与柔性衬底110间的粘附性，本发明实施例中在柔性衬底110上印制下绝缘绝热层120，热电对印制于下绝缘绝热层120上。同时，为了保护热电材料，降低外界干扰，本发明实施例中还包括上绝缘绝热层140，所述上绝缘绝热层140覆盖于热电对上，如图8所示。在柔性衬底110上的下绝缘绝热层120、上绝缘绝热层140可以根据需要进行设置。 

所述导电连接层130可以采用导电连接体、N型热电材料连接层133或P型热电材料连接层134。所述导电连接层130为导电连接体时，所述导电连接体的材料包括Ag、镍、铜或金；导电连接层130采用导电连接体时，形成本发明实施例中的第一热电发生器100，如图3所示。所述导电连接层130为N型热电材料连接层133时，所述N型热电材料连接层133与N型热电材料层131为 同一制造层，导电连接层130采用N型热电材料连接层133时，形成本发明实施例中的第二热电发生器101，如图6所示。所述导电连接层130为P型热电材料连接层134时，所述P型热电材料连接层134与P型热电材料层132为同一制造层，导电连接层130采用P型热电材料连接层134时，形成本发明实施例中的第三热电发生器102，如图7所示。 

上述结构的热电发生器可以通过下述工艺步骤制备得到，具体包括： 

a、提供所需柔性衬底110； 

所述柔性衬底110的材料包括PI（Polyimide Film）薄膜，PI薄膜柔性度高，耐温性好，耐温温度可达到-270°C~500°C；同时，也可以采用本技术领域人员所熟知的其他柔性衬底材料，此处不再一一列举详述； 

b、在上述柔性衬底110通过丝网印刷印制若干N型热电材料层131、P型热电材料层132及导电连接层130，所述N型热电材料层131通过导电连接层130与P型热电材料层132串联后电连接； 

为了能够提高粘附性，在柔性衬底110上印制下绝缘绝热层120，所述N型热电材料层131、P型热电材料层132及导电连接层130均印制在下绝缘绝热层120上。在柔性衬底110或下绝缘绝热层120上印制N型热电材料层131、P型热电材料层132及导电连接层130时，可以根据按照所需的顺序进行，只要能达到相应串联后电连接的目的即可。 

可以通过预先设置订制好的丝网印刷，所述导电连接层130为导电连接体时，所述导电连接体的材料包括Ag、镍、铜或金；导电连接层130采用导电连接体时，形成本发明实施例中的第一热电发生器100，如图3所示。所述导电连接层130为N型热电材料连接层133时，所述N型热电材料连接层133与N型热电材料层131为同一制造层，导电连接层130采用N型热电材料连接层133时，形成本发明实施例中的第二热电发生器101，如图6所示。所述导电连接层130为P型热电材料连接层134时，所述P型热电材料连接层134与P型热电材料层132为同一制造层，导电连接层130采用P型热电材料连接层134时，形成本发明实施例中的第三热电发生器102，如图7所示。 

N型热电材料层131、P型热电材料层132在印刷时需要热电浆料，此处以Sb金属单质浆料的配置为例，其选用4wt.%乙基纤维素（ethyl-cellulose）与96wt.%α-松油醇（alpha-terpineol）混合调配成粘结剂，再将Sb粉末与粘结剂以80wt.%与20wt.%的重量百分浓度均勻混合调配成Sb浆料。热电浆料可以通过外购获得，根据需要制备相应材料的热电浆料，热电浆料的获得也为本技术领域人员所熟知，此处不再详述。 

c、对上述N型热电材料层131、P型热电材料层132进行热退火。 

热退火的条件要与热电浆料和柔性衬底110的选择相对应，同样以PI薄膜衬底和Sb浆料为例，热退火在密闭的管式炉中，通入H27%与Ar 93%之混合气，退火8小时并在气体氛围中冷却；热退火温度与热电浆料及柔性衬底110相匹配；通过热退火工艺能使得热电浆料中的有机物蒸发掉，提高N型热电材料层131、P型热电材料层132及导电连接层130间的电连接效果。 

还包括步骤d、在上述柔性衬底110上印制上绝缘绝热层140，并对所述上绝缘绝热层140进行干燥；所述上绝缘绝热层140覆盖于所述N型热电材料层131、P型热电材料层132及导电连接层130上。 

如图1~图8所示：由于N型热电材料层131、P型热电材料层132在柔性衬底110上交替分布，当通过导电连接层130串联后电连接，N型热电材料层131与相邻的P型热电材料层132间均能形成一个热电对；并能在柔性衬底110上形成若干串接的热电对，以得到热电堆。当热电对的两端出现温度梯度时，N型热电材料层131与P型热电材料层132的端部出现电势差，从而热电堆能够输出相应的电能。 

本发明通过柔性衬底110，提高热电发生器的集成度，N型热电材料层131、P型热电材料层132及导电连接层130均采用丝网印刷工艺制备得到，工艺步骤简单，与现有工艺技术相兼容，降低制造成本，结构简单紧凑，提高发电效率，安全可靠。 

Claims (10)

1. 一种柔性微型热电发生器，其特征是：包括柔性衬底（110），所述柔性衬底（110）上设置若干交替分布的N型热电材料层（131）及P型热电材料层（132），所述N型热电材料层（131）通过导电连接层（130）与P型热电材料层（132）串联后电连接，以在柔性衬底（110）上形成若干串接的热电对。

2.根据权利要求1所述的柔性微型热电发生器，其特征是：所述导电连接层（130）包括导电连接体、N型热电材料连接层（133）或P型热电材料连接层（134）。

3.根据权利要求1所述的柔性微型热电发生器，其特征是：所述柔性衬底（110）上设有下绝缘绝热层（120），所述串接的热电对位于下绝缘绝热层（120）上，热电对上覆盖有上绝缘绝热层（140）。

4.根据权利要求1所述的柔性微型热电发生器，其特征是：所述N型热电材料层（131）、P型热电材料层（132）及导电连接层（130）均通过丝网印版印制于柔性衬底（110）上。

5.一种柔性微型热电发生器的制造方法，其特征是，所述热电发生器的制造方法包括如下步骤：

（a）、提供所需柔性衬底（110）；

（b）、在上述柔性衬底（110）通过丝网印刷印制若干N型热电材料层（131）、P型热电材料层（132）及导电连接层（130），所述N型热电材料层（131）通过导电连接层（130）与P型热电材料层（132）串联后电连接；

（c）、对上述N型热电材料层（131）、P型热电材料层（132）进行热退火。

6.根据权利要求5所述柔性微型热电发生器的制造方法，其特征是：所述步骤（b）中，在柔性衬底（110）上印制下绝缘绝热层（120），所述N型热电材料层（131）、P型热电材料层（132）及导电连接层（130）均印制在下绝缘绝热层（120）上。

7.根据权利要求5所述柔性微型热电发生器的制造方法，其特征是：还包括步骤（d）、在上述柔性衬底（110）上印制上绝缘绝热层（140），并对所述上绝缘绝热层（140）进行干燥；所述上绝缘绝热层（140）覆盖于所述N型热电材料层（131）、P型热电材料层（132）及导电连接层（130）上。

8.根据权利要求5所述柔性微型热电发生器的制造方法，其特征是：所述柔性衬底（110）包括PI薄膜。

9.根据权利要求5所述柔性微型热电发生器的制造方法，其特征是：所述导电连接层（130）包括导电连接体、N型热电材料连接层（133）及P型热电材料连接层（134）。

10.根据权利要求9所述柔性微型热电发生器的制造方法，其特征是：所述导电连接层（130）为导电连接体时，所述导电连接体的材料包括Ag；所述导电连接层（130）为N型热电材料连接层（133）时，所述N型热电材料连接层（133）与N型热电材料层（131）为同一制造层；所述导电连接层（130）为P型热电材料连接层（134）时，所述P型热电材料连接层（134）与P型热电材料层（132）为同一制造层。

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