CN104956505B - 热电元件以及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种具有第一热电层和第二热电层的热电元件，其中，在构造出pn结的情况下构造出这些层。为了提供这种热电元件，其在无需布线的情况下适用于热电发电机中的串联，提出：‑基底在基底的冷侧上具有第一接触面和第二接触面，而在基底的热侧上具有第三接触面，‑冷侧上的接触面与热侧上的接触面之间可以施加温度梯度(T1、T2)，‑热电元件的第一热电层布置在基底上并且将第二接触面与第三接触面连接，并且‑在构造出pn结的情况下，热电元件的第二热电层布置在第一热电层上并且与第一接触面连接。此外，还说明了一种用于制造这种热电元件的方法。

Description

热电元件以及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种具有第一热电层和第二热电层的热电薄层元件，其中，在构造出pn结的情况下构造出这些层。此外，本发明还涉及一种用于制造这种热电元件的方法以及热电发电机。
背景技术
这种热电元件由EP 1 287 566 B1公知。在该热电元件中，相对于传统热电元件实现了更高的效率，在传统热电元件中，pn结基本上在n层和p层的整个延伸部上构造，其中，沿pn结边界面施加温度梯度。由此，在pn层组的两个端部之间形成了沿该长形构造的pn结的温度差异，其导致热电元件的效率明显高于在传统热电元件情况下的效率。这种热电元件有选择地与n层和p层接触。这可以通过将接触部和与之连接的pn结制成合金来实现，或者可以通过直接接触n层和p层来实现。为了将许多这种热电元件装配成模块，这些热电元件通过十字引导的线路串联。模块的各个热电元件热并联。
发明内容
从现有技术出发，本发明的任务是，提供一种热电元件，其在无需布线的情况下适用于热电发电机中的串联。此外，还说明了一种用于制造这种热电元件的方法。
该任务的解决方案基于如下思想，即，热电薄层元件在冷侧上与两个接触面连接，而在热侧上与一个接触面连接。此外，本发明基于如下思想，即，提供一种用于制造所述三个接触面的廉价的方法。
具体而言，在开头提到类型的热电元件中，该任务以如下方式来解决，即，基底在基底的冷侧上具有第一接触面和第二接触面，而在基底的热侧上具有第三接触面，在冷侧上的接触面与热侧上的接触面之间可以施加温度梯度，热电元件的第一热电层布置在基底上并且将第二接触面与第三接触面连接，并且在构造出pn结的情况下，热电元件的第二热电层布置在第一热电层上并且与第一接触面连接。
由p层和n层构成的层组通过冷侧上的第一接触面和第二接触面有选择地进行接触，其方式是，第一热电层以接触区段布置在基底的第二接触面上。借助第二热电层的布置在基底的第一接触面上的接触区段实现第二热电层的有选择的接触。第二热电层的接触区段凸出超过第一热电层与第二热电层之间的pn结。
为了使温度梯度沿n层与p层之间的边界层的方向起作用，可以在冷侧上的接触面与热侧上的接触面之间施加温度梯度。为此必需的是，第一和第二热电层的接触区段与相应的接触面仅在部分区域中重叠。经由接触面的保留区域确保了与热源或热沉的良好的热连接。同时，经由冷侧上的第一接触面和第二接触面实现了热电层的有选择的电接触。
当第一热电层由n型的热电半导体材料构成时，第二热电层由p型的热电材料构成。当第一热电层由p型的热电材料构成时，第二热电层由n型的热电材料构成。pn结优选沿n层和p层的整体的优选最长的延伸部构造，并且因此基本上沿其整个边界层构造。
尤其考虑半导体材料，例如Bi2Te3、PbTe、SiGe、BiSb或者FeSi2作为热电材料。
基底由电绝缘的相对于接触面具有明显更小的热导率的材料构成。基底材料可以是刚性的或柔性的。例如考虑Kapton(聚酰亚胺薄膜)、Kevlar(凯芙拉)以及电路板材料，例如EP2、85N、35N或复合材料作为基底材料。
接触面必须具有高电导率和高热导率，以便借助夹紧、粘贴或其他形式或材料锁合(stoffschlüssig)的连接方法实现与热源和热沉的良好的热连接。一方面为了层材料的有选择的接触而需要高电导率，另一方面为了截取由热电元件或热电发电机产生的电压而需要高电导率。考虑具有高热导率和高电导率的金属，尤其是铜或铜合金作为接触面材料。接触区域可以附加地用镍进行覆层作为扩散势垒。
为了着眼于高效率而使第一层和第二层的从pn结延伸出的接触区段保持尽可能短，第三接触面优选与第一接触面和第二接触面错开地布置。该错开优选以如下方式来选择，即，使第一接触面与第二接触面之间的间隙的延长部与第三接触面相交。
在具有权利要求6的特征的热电发电机中，可以提高由热电元件产生的电压的输出电压。着眼于自动化地制造这种发电机，所有热电元件优选仅布置在一个基底上，其中，所有热电元件的第一接触面和第二接触面成列地布置在热侧上，而所有热电元件的第三接触面成列地布置在基底的冷侧上。基底优选具有长形的矩形形状，其中，一个纵棱边形成热侧而相对置的纵棱边形成冷侧。热侧上的接触面列和冷侧上的接触面列与纵棱边平行地延伸。第一接触面和第二接触面优选明显大于第一热电层和第二热电层的位于接触面上的接触区段。由于这种大小关系，根据本发明可以实现的是，一个热电元件的第二接触面同时形成用于发电机的相邻的热电元件的第一接触面。由此，以特别简单和廉价的方式实施热电发电机的相邻的热电元件之间的电串联。
由权利要求9的特征得到用于制造热电元件或由此制成的发电机的优选的方法。热电层的施装可以用不同的沉积方法来实现，但优选在印刷过程中实现。尤其考虑喷墨印刷、胶版印刷或凹版印刷作为用于热电材料的印刷方法。所使用的墨水可以包含由碲化铋(Bi2Te3)、碲化锑(Sb2Te3)和/或硒化铋(Bi2Se3)、掺杂的锗化硅(SiGe)、掺杂的硅(Si)或其他热电材料构成的颗粒。
在施装热电材料层之后，优选对该热电材料层进行烧结和/或退火，以便改变所施装的层的特性。尤其是通过退火来克服晶体损坏。只要在高温处理时附加地施加压力，那么指的就是烧结。
附图说明
下面结合图1至图3详细阐述用于制造根据本发明的热电元件或模块的方法。其中：
图1示出在施装第一热电层之后的示意性的布局图；
图2示出在施装第二热电层之后的示意性的布局图；以及
图3示出制成后的热电元件的俯视图以及剖面A-A和B-B。
具体实施方式
图1示出具有热侧(110)和冷侧(120)的基底(100)。基底(100)具有长形的矩形形状，其通过纵边缘(130、140)以及横边缘(150、160)限界。为了制造热电元件，基底在冷侧(120)上配设有至少一个第一接触面(200)、第二接触面(210)，并且在热侧(110)上配设有至少一个第三接触面(220)。接触面(200、210、220)例如由铜构成。
首先，由p型掺杂的半导体材料构成的第一热电层在下文中也被称为p层(300)，其以如下方式施装到这样提供的基底(100)上，即，使p层(300)将第二接触面(210)与第三接触面(220)连接。与第二接触面(210)重叠的接触区段(310)用于有选择地接触热电元件以及用于导出热量。与第三接触面(220)重叠的接触区段(320)用于从与第三接触面(220)连接的热源中导入热量。
在图2所示的下一方法步骤中，在构造出pn结的情况下，由热电传导的n型掺杂的材料构成的第二热电层在下文中也被简称为n层(330)，其施装在p层(300)上，并且同时与第一接触面(200)连接。与第一接触面(200)重叠的接触区段(340)用于导出热量。n层(330)和p层(300)沿方向X(参见图2)构造出pn结，其中，p层(300)以其接触区段(310)通过第二接触面(210)有选择地电接触，并且，n层(330)以其接触区段(340)通过第一接触面(200)有选择地电接触。
n层与p层(300、330)之间的边界层中的温度梯度平行于图2所示的X方向地从热侧(110)延伸至冷侧(120)。由于平行于n层与p层之间的边界层的温度梯度，导致在高温区域中生成电子空穴对，并且导致这些对在冷侧(120)上在较低温度的区域中利用所属的补偿电流重新结合。因为相对于热均衡，n层与p层之间的电位调制发生改变，所以n层与p层之间的电压可以经由第一接触面和第二接触面(200、210)截取。
在制造技术上有利的是，第三接触面(220)与第一接触面和第二接触面(210、220)错开地布置，像可以从图1和图2中看到的那样。第一接触面与第二接触面(200、210)之间的间隙比p层(300)与n层(330)之间的pn结的宽度要宽，从而使得pn结可以从错开的第三接触面(220)延伸至第一接触面与第二接触面(200、210)之间的间隙中，而不会与接触面(200、210)重叠。接触区段(310、340)与pn结(300、330)垂直地向第一接触面和第二接触面(200、210)方向延伸。
为了将多个热电元件连接成模块，这些热电元件优选布置在唯一的基底(100)上，其中，所有热电元件的第一接触面和第二接触面(200、210)成列地布置在热侧(110)上，而所有热电元件的第三接触面(220)成列地布置在冷侧(120)上。热电发电机的多个热电元件的串联可以特别简单地以如下方式实现，即，使第一热电元件的第二接触面(210)同时形成用于相邻的热电元件的第一接触面(200)，像可以在根据图2的俯视图中看到的那样。从俯视图中靠左示出的第一热电元件出发，第二热电元件与第一热电元件共用第二接触面(210)，其中，用于第二热电元件的第二接触面(210)形成第一接触面(200/2)。
图3示出按照根据本发明的方法制成后的热电元件的详细的布局图以及横截面A-A和B-B。在俯视图中可以看到基底(100)上的三个接触面(200、210、220)。接触面(200、210)属于冷侧(120)上的接触面列，而第三接触面(220)属于热侧(110)上的接触面列。
在横截面A-A中可以看到的是，p层(300)的接触区段(320)如何与第三接触面(220)重叠，以及其余部分如何沿冷侧(120)的方向在基底(100)上的第一接触面与第二接触面(200、210)之间的间隙中延伸。此外，可以看到n层(330)，其在构造出pn结(350)的情况下施装在p层(300)上。
从截面B-B中可以看到的是，从pn结(350)沿基底(100)的纵向方向延伸的接触区段(340、310)如何与第一接触面和第二接触面(200、210)重叠。像可以从截面B-B中看到的那样，p层和n层(300、330)仅在基底(100)上方的第一接触面与第二接触面(200、210)之间的间隙中重叠。
附图标记列表
附图标记 名称
100 基底
110 热侧
120 冷侧
130 纵边缘
140 纵边缘
150 横边缘
160 横边缘
200 第一接触面
210 第二接触面
220 第三接触面
300 p层
310 接触区段
320 接触区段
330 n层
340 接触区段
350 pn结

Claims (12)

1.一种热电元件，所述热电元件具有：
由第一热电层(300)和第二热电层(330)形成的层组，其中，所述第一热电层(300)和所述第二热电层(330)被构造成使得构造出pn结(350)，其中，所述第一热电层(300)由n型的热电材料构成，而所述第二热电层(330)由p型的热电材料构成，或者所述第一热电层(300)由p型的热电材料构成，而所述第二热电层(330)由n型的热电材料构成；以及
具有具备接触面的热侧和冷侧的基底(100)，接触面中的第一接触面和第二接触面(200、210)布置在所述冷侧(120)上，而接触面中的第三接触面(220)布置在所述热侧(110)上，
所述基底被构造成使得能跨过在所述冷侧(120)上的第一接触面和第二接触面(200、210)与在所述热侧(110)上的第三接触面(220)之间的间隙地施加温度梯度(T1、T2)，
所述第一热电层(300)布置在所述基底(100)上，并且将第二接触面(210)与第三接触面(220)连接，并且
在构造出所述pn结(350)的情况下，所述第二热电层(330)布置在所述第一热电层(300)上并且与所述第一接触面(200)连接，其中，温度梯度(T1、T2)施加在所述pn结(350)上，并且在所述pn结(350)的区域中，所述基底(100)、所述第一热电层(300)、所述pn结(350)以及所述第二热电层(330)形成层压部，其中，所述第一热电层(300)布置在所述基底(100)与所述pn结(350)之间，并且所述pn结(350)布置在所述第一热电层(300)与所述第二热电层(330)之间，并且
在所述基底(100)的冷侧上的第一接触面和第二接触面(200、210)分别有选择地接触所述第二热电层(330)和所述第一热电层(300)，使得所述第一热电层(300)的接触区段(310)布置在所述第二接触面(210)上，并且所述第二热电层(330)的接触区段(340)布置在所述第一接触面(200)上，
其中，所述第二热电层(330)的接触区段(340)凸出超过所述pn结，
所述第一热电层(300)的接触区段(310)仅与所述第二接触面(210)的部分区域重叠，并且所述第二热电层(330)的接触区段(340)仅与所述第一接触面(200)的部分区域重叠，并且
所述pn结(350)在温度梯度的方向上从所述第三接触面(220)延伸到在所述热侧(110)上的第三接触面(220)与在所述冷侧(120)上的第一接触面和第二接触面(200、210)之间的间隙中。
2.根据权利要求1所述的热电元件，其特征在于，所述基底(100)由电绝缘的比所述接触面(200、210、220)具有更小的热导率的材料构成。
3.根据权利要求1所述的热电元件，其特征在于，所述接触面(200、210、220)具有高电导率和高热导率。
4.根据权利要求1所述的热电元件，其特征在于，所述第三接触面(220)与所述第一接触面和第二接触面(210、220)错开地布置。
5.根据权利要求1所述的热电元件，其特征在于，所述第一热电层(300)和所述第二热电层(330)分别有选择地与所述第二接触面(210)和所述第一接触面(200)电接触，并且与所述第三接触面(220)重叠的接触区段用于从所述热侧(110)将热导出。
6.一种热电发电机，所述热电 发电机包括多个热并联且电串联的根据权利要求1所述的热电元件。
7.根据权利要求6所述的热电发电机，其特征在于，所有热电元件仅布置在一个基底(100)上，其中，所有热电元件的第一接触面和第二接触面(200、210)成列地布置在所述基底(100)的冷侧(120) 上，而所有热电元件的第三接触面(220)成列地布置在所述基底的热侧(110)上。
8.根据权利要求6所述的热电发电机，其特征在于，一个热电元件的第二接触面(210)同时形成用于相邻的热电元件的第一接触面(200)。
9.一种用于制造热电元件的方法，所述热电元件具有：
-由第一热电层(300)和第二热电层(330)形成的层组，其中，所述第一热电层(300)和所述第二热电层(330)被构造成使得构造出pn结(350)，其中，所述第一热电层(300)由n型的热电材料构成，而所述第二热电层(330)由p型的热电材料构成，或者所述第一热电层(300)由p型的热电材料构成，而所述第二热电层(330)由n型的热电材料构成，所述方法包括：
-提供具有热侧和冷侧的基底(100)，在所述基底的冷侧(120)上配设第一接触面和第二接触面(200、210)，而在所述基底的热侧(110)上配设第三接触面(220)，
-紧接着，将所述第一热电层(300)施装在所述基底(100)上，使得所述第一热电层(300)将所述第二接触面(210)与所述第三接触面(220)连接，并且
-在构造出pn结(350)的情况下，将所述第二热电层(330)施装在所述第一热电层(300)上，从而使所述第二热电层(330)与所述第一接触面(200)连接，将所述基底(100)的热侧与冷侧之间的温度梯度施加在所述pn结(350)上，并且在所述pn结(350)的区域中，所述基底(100)、所述第一热电层(300)、所述pn结(350)以及所述第二热电层(330)形成层压部，其中，所述第一热电层(300)布置在所述基底(100)与所述pn结(350)之间，并且所述pn结(350)布置在所述第一热电层(300)与所述第二热电层(330)之间，
其中，所述基底(100)被构造成使得跨过在所述冷侧(120)上的第一接触面和第二接触面(200、210)与在所述热侧(110)上的第三接触面(220)之间的间隙地施加温度梯度(T1、T2)，所述第一热电层(300)和所述第二热电层(330)被施装成使得所述pn结(350)在温度梯度的方向上从所述第三接触面(220)延伸到所述间隙中。
10.根据权利要求9所述的用于制造热电元件的方法，其特征在于，所述第一热电层(300)和所述第二热电层(330)在印刷过程中进行施装。
11.根据权利要求9所述的用于制造热电元件的方法，其特征在于，所述第一热电层(300)和所述第二热电层(330)在施装之后分别进行烧结和退火中的至少一个。
12.根据权利要求9所述的用于制造热电元件的方法，其特征在于，所述第一热电层(300)和所述第二热电层(330)分别有选择地与所述第二接触面(210)和所述第一接触面(200)电接触，并且与所述第三接触面(220)重叠的接触区段用于从所述热侧(110)将热导出。
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