CN104576913A - 一种半导体温差发电片 - Google Patents
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Abstract
一种半导体温差发电片，属于半导体温差发电器件，解决现有半导体温差发电片功率较低、厚度较大的问题，以便于夹紧和应用至微型电子器件中。本发明由上绝缘导热板、下绝缘导热板及其之间的2N个温差发电单元构成，各温差发电单元包括左、右温差电偶臂，上导流片和左、右导流片，左、右温差电偶臂均为矩形，面积为(0.1mm～10mm)×(0.1mm～10mm)，面长比为0.52mm～8.33mm，均采用多浓度梯度温差耦合材料制作。本发明厚度薄、功率大、能有效减小体积和投资成本，不仅能够在不同温度梯度和荷载条件下稳定运行，也能够提高所匹配负载的额定功率，尤其适用于热源品味小、使用空间狭窄、负载额定功率较大的工况条件。
Description
技术领域
本发明属于半导体温差发电器件，具体涉及一种半导体温差发电片。
技术背景
温差电是研究温差和电之间关系的科学,更准确地说是研究热能和电能直接转换的科学。由于金属的温差电效应非常微弱,所以在很长一段时间内并未得到广泛的应用。自从人们发现用半导体和金属氧化物代替金属可以使温差电效应得到明显提高后,温差电效应的应用翻开了新的一页。温差发电起源于六个与热电转换有关的基本效应：塞贝克效应(Seebeck effect)、帕尔贴效应(Peltier Effect)、汤姆逊效应(Thomson Effect)、焦耳效应(JouleEffect)、傅里叶效应(Fourier Effect)和霍尔效应(Hall Effect)。基于这六个效应，可以制造出实现热能与电能之间相互转换的温差电器件。
由于温差发电的重要性，目前已申请的专利较多。中国专利申请201320123155公开了一种汽车尾气温差发电装置及具有其的汽车，可实现汽车尾气能量回收,提高发动机效率,使汽车尾气温差发电装置的组成零件少,加工简单,生产成本低,布置空间紧凑,耐久性和可靠性更好,易实现产业化。中国专利申请201310219930公开了一种便携式温差发电照明装置，通过将温差发电片组的热端紧贴供热箱,供热箱的下部连接燃烧室，极大地提高了温差发电效率和温差发电量,使其能够达到实际照明使用需求,同时对整个照明装置进行了便携式设计,使其市场实用化程度得到大幅提升。然而，这些发明只是利用温差发电片进行应用设计，利用不同高低品味热源实施系统的组装，并未深入温差发电片进行原型设计，所采用的温差发电片的效率和功率都偏低。
现有半导体温差发电片，由上、下绝缘导热板及其之间的2N个温差发电单元构成，N＝5、6、7、8或9，各温差发电单元包括左、右温差电偶臂，现有温差电偶臂可以采用多种半导体材料，包括Bi2Te3/Sb2Te3、PbTe、SiGe等，Bi2Te3/Sb2Te3在低温下适用，PbTe在温度范围400～800K适用，而SiGe适用于700K以上高温。目前研究主要集中在温差电性能最好的二元合金CoSb3和金属Si化物，对于二元合金CoSb3，还通过低维化或者填充、置换等成分优化来提高其温差电性能；金属Si化物是由过渡元素与Si形成的化合物，如FeSi2，MnSi2，CrSi2等，这类材料的熔点很高，适合于温差发电。文献上也曾报导以NaCo2O4，Ca2Co2O5，Ca3Co2O6，Ca3Co4O9为代表的氧化物型温差电材料，可以在空气中直接烧结制备，成本低，并且大多数没有毒性，不会污染环境，还能长时间在高温氧化条件下正常工作。
现有半导体温差发电片中，温差电偶臂面长比一般为0.26mm，存在功率较低、纵向尺寸(厚度)较大，导致无法夹紧难以应用至微型电子器件中。
发明内容
本发明提供一种半导体温差发电片，解决现有半导体温差发电片功率较低、厚度较大的问题，以便于夹紧和应用至微型电子器件中。
本发明所提供的一种半导体温差发电片，由上绝缘导热板、下绝缘导热板及其之间的2N个温差发电单元构成，N＝5、6、7、8或9，2N个温差发电单元按行、列排列成阵列；各温差发电单元包括左温差电偶臂、右温差电偶臂，上导流片、左导流片和右导流片，左温差电偶臂和右温差电偶臂顶面分别通过上左焊料层和上右焊料层焊接于所述上导流片底面，左温差电偶臂和右温差电偶臂底面分别通过下左焊料层和下右焊料层焊接于所述左导流片和右导流片顶面；2N个温差发电单元排列成阵列时，每行温差发电单元中，左右相邻的温差发电单元共用左导流片或右导流片：左温差发电单元的右导流片作为右温差发电单元的左导流片；每行末端的温差发电单元的左导流片或右导流片作为下一行对应同一列的温差发电单元的左导流片或右导流片，使得2N个温差发电单元串联，其特征在于：
所述左、右温差电偶臂形状、结构相同，均为矩形，面积为(0.1mm～10mm)×(0.1mm～10mm)，面长比为0.52mm～8.33mm，均采用多浓度梯度温差耦合材料制作，所述面长比系表面积与厚度之比。
所述的半导体温差发电片，其特征在于：
所述多浓度梯度温差耦合材料为摩尔比(50+x)：(50－x)的Bi2Te3和Sb2Te3的固熔体合金(Bi50+xSb50-x)2(Te50+xSe50-x)3，0≤x＜50。
所述的半导体温差发电片，其特征在于：
所述上导流片、左导流片和右导流片采用纯Cu材料制作；
所述上左、上右、下左和下右焊料层采用Sn-Ag无铅合金或Sn-Zn无铅合金材料；
所述上、下绝缘导热板采用Al2O3材料制作。
本发明在保持焊料层、导流层、导热基板和热电材料热物性与市场上各型号相同的发电片相匹配的情况下，提供新型材料配比的(BixSb1-x)2(TexSe1-x)3温差电材料，通过调配Bi2Te3半导体晶体生长过程中的杂质配比，将Sb、Se元素掺杂入N型和P型半导体晶体Bi2Te3中，形成固溶体合金，可以提高塞贝克系数和电导率，在材料晶体结构中引入适当的短程无序，可以保持迁移率不发生明显变化的条件下进一步降低材料热导率，从而使材料的温差电优值得到进一步提高。导流片采用电导率极高的纯Cu片，绝缘导热板采用电导率极低热导率极高的Al2O3。采用此种原料配比，可以输出比其他中低温温差发电片更高的发电效率和功率。
本发明提高温差电偶臂的面长比，纵向尺寸(厚度)可以降低至8倍，厚度仅有2.26mm，大大提高了体积功率比和输出功率，增大系统的质量比功率，相比市场上现有尺寸温差发电片，最大输出功率能提高8倍，达到0.8W。输出功率随着负载电阻的变化而变化，当负载电阻与发电片本身的电阻相匹配时，负载能够从发电片中获得最大的输出功率。
综上所述，本发明具备厚度薄功率大的优点，能有效减小体积和投资成本，不仅能够根据实际需要在不同温度梯度和荷载条件下稳定运行，也能够提高所匹配负载的额定功率，结合温场的宏观调控(不同冷热源配比)和微观调控(发电片排布设置)使通用性更强，可以在各种不同温度梯度热源条件的微型应用场景以及空间探测中广泛应用，尤其适用于热源品味小、使用空间狭窄、负载额定功率较大的工况条件。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为图1中温差发电单元的剖视图；
图3为温差发电单元的立体示意图。
图中标记：上绝缘导热板10、下绝缘导热板20、温差发电单元30、左温差电偶31臂、右温差电偶臂32、上导流片33、左导流片34、右导流片35、上左焊料层36、上右焊料层37、下左焊料层38、下右焊料层39。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明进一步说明。
如图1所示，本发明的实施例一，由上绝缘导热板10、下绝缘导热板20及其之间的28个温差发电单元30构成，28个温差发电单元30按行、列排列成阵列；如图2、图3所示，各温差发电单元30包括左温差电偶臂31、右温差电偶臂32，上导流片33、左导流片34和右导流片35，左温差电偶臂31和右温差电偶臂32顶面分别通过上左焊料层36和上右焊料层37焊接于所述上导流片33底面，左温差电偶臂31和右温差电偶臂32底面分别通过下左焊料层38和下右焊料层39焊接于所述左导流片34和右导流片35顶面；28个温差发电单元排列成阵列时，每行温差发电单元中，左右相邻的温差发电单元共用左导流片或右导流片：左温差发电单元的右导流片作为右温差发电单元的左导流片；每行末端的温差发电单元的左导流片或右导流片作为下一行对应同一列的温差发电单元的左导流片或右导流片，使得28个温差发电单元串联，；
所述左、右温差电偶臂形状、结构相同，均为矩形，面积为1mm×1mm，面长比为8.33mm，均采用多浓度梯度温差耦合材料制作；
所述多浓度梯度温差耦合材料为摩尔比(50+x)：(50－x)的Bi2Te3和Sb2Te3的固熔体合金(Bi50+xSb50-x)2(Te50+xSe50-x)3，本实施例中x＝47,即所述多浓度梯度温差耦合材料为摩尔比97：3的Bi2Te3和Sb2Te3的固熔体合金(Bi0.97Sb0.03)2(Te0.97Se0.03)3；
所述上导流片、左导流片和右导流片采用纯Cu材料制作；
所述上左、上右、下左和下右焊料层采用Sn-Ag无铅合金或Sn-Zn无铅合金材料；
所述上、下绝缘导热板采用Al2O3材料制作。
与现有面长比为0.26mm的温差电偶臂所构成的半导体温差发电片相比，本实施例最大输出功率提高8倍，厚度减小至0.12mm，可放置于微型电路中当做微型电源。
本发明的实施例二，和实施例一的区别仅在于：
温差发电单元30的个数为29个，所述左、右温差电偶臂面积为0.1mm×0.1mm，面长比为0.52mm；
所述多浓度梯度温差耦合材料为摩尔比80：20的Bi2Te3和Sb2Te3的固熔体合金(Bi0.8Sb0.2)2(Te0.8Se0.2)3。
与现有面长比为0.26mm的温差电偶臂所构成的半导体温差发电片相比，本实施例输出功率增大2倍，厚度减小至0.019mm，可放置在纳米型电子器件中充当电源。
本发明的实施例三，和实施例一的区别仅在于：
温差发电单元30的个数为27个，
所述左、右温差电偶臂面积为5mm×5mm，面长比为5.26mm
所述多浓度梯度温差耦合材料为摩尔比60:40的Bi2Te3和Sb2Te3的固熔体合金(Bi0.6Sb0.4)2(Te0.6Se0.4)3。
与现有面长比为0.26mm的温差电偶臂所构成的半导体温差发电片相比，本实施例功率增大5倍，厚度减小至11.06mm，可放置在小型电子器件中充当电源。
本发明的实施例四，和实施例一的区别仅在于：
温差发电单元30的个数为25个，
所述左、右温差电偶臂面积为10mm×10mm，面长比为8.33mm
所述多浓度梯度温差耦合材料为摩尔比50:50的Bi2Te3和Sb2Te3的固熔体合金(Bi0.5Sb0.5)2(Te0.5Se0.5)3。
与现有面长比为0.26mm的温差电偶臂所构成的半导体温差发电片相比，本实施例功率增大8倍，厚度减小至12mm，可放置在小型电子器件中充当电源。
Claims (3)
1.一种半导体温差发电片，由上绝缘导热板(10)、下绝缘导热板(20)及其之间的2N个温差发电单元(30)构成，N＝5、6、7、8或9，2N个温差发电单元(30)按行、列排列成阵列；各温差发电单元(30)包括左温差电偶臂(31)、右温差电偶臂(32)，上导流片(33)、左导流片(34)和右导流片(35)，左温差电偶臂(31)和右温差电偶臂(32)顶面分别通过上左焊料层(36)和上右焊料层(37)焊接于所述上导流片(33)底面，左温差电偶臂(31)和右温差电偶臂(32)底面分别通过下左焊料层(38)和下右焊料层(39)焊接于所述左导流片(34)和右导流片(35)顶面；2N个温差发电单元排列成阵列时，每行温差发电单元中，左右相邻的温差发电单元共用左导流片或右导流片：左温差发电单元的右导流片作为右温差发电单元的左导流片；每行末端的温差发电单元的左导流片或右导流片作为下一行对应同一列的温差发电单元的左导流片或右导流片，使得2N个温差发电单元串联，其特征在于：
所述左、右温差电偶臂形状、结构相同，均为矩形，面积为(0.1mm～10mm)×(0.1mm～10mm)，面长比为0.52mm～8.33mm，均采用多浓度梯度温差耦合材料制作，所述面长比系表面积与厚度之比。
2.如权利要求1所述的半导体温差发电片，其特征在于：
所述多浓度梯度温差耦合材料为摩尔比(50+x)：(50－x)的Bi2Te3和Sb2Te3的固熔体合金(Bi50+xSb50-x)2(Te50+xSe50-x)3，0≤x＜50。
3.如权利要求1或2所述的半导体温差发电片，其特征在于：
所述上导流片、左导流片和右导流片采用纯Cu材料制作；
所述上左、上右、下左和下右焊料层采用Sn-Ag无铅合金或Sn-Zn无铅合金材料；
所述上、下绝缘导热板采用Al2O3材料制作。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20150429 |