CN107155379A

CN107155379A - 热电材料、热电转换元件以及由热电转换元件和由热电材料制成的π型模块组和由除了这种π型模块组之外的热电材料制成的π型模块组构成的模块组

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Publication number: CN107155379A
Application number: CN201580052882.9A
Authority: CN
Inventors: 马渊真人; 芦田有
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-08-23
Filing date: 2015-07-28
Publication date: 2017-09-12
Also published as: EP3196950A4; WO2016031572A1; EP3196950A1; JP6350817B2; RU2017105905A; RU2017105905A3; JP2016046502A

Abstract

本发明的目的是产生一种热电转换系统，其内的热电材料的热电转换效率接近卡诺效率，这种热电材料包含“由热电转换元件的组合构成的模块组”。本发明在新一代的热电材料中尽可能地减少了热传导率，热传导率来自除了由于连接的空间部分而能够在热电转换元件内部移动的空间部分或工作物质之外的任何东西，该热电材料包括“热电转换元件的组合构成的模块组”，并且其是不受负载或热滞留损害、且由不受负载或热滞留损害的热电转换元件构成的热电材料。本发明包括对夹持空间的表面或面向该热电材料的热电材料表面进行重整，以形成适于发电、冷却和加热操作的界面。本发明的目的是产生优于“由热电转换元件的组合构成的模块组”且在室温等条件下与三个或更多个不同的热浴源接触的种间模块，还产生包括这种模块且具有接近卡诺效率的热电转换效率的热电转换系统。

Description

热电材料、热电转换元件以及由热电转换元件和由热电材料制成的Π型模块组和由除了这种Π型模块组之外的热电材料制成的Π型模块组构成的模块组

技术领域

本发明与热能和电能之间的转换方法直接相关。

背景技术

将热能转换成电能的电力系统包括使用热电材料的热电系统、热离子系统和/或其他的系统等等。在使用热电材料作为热电系统的逆变换过程中，热电材料也用作冷却系统。PTL 1和PTL 2中定义的热电材料和热电转换元件是利用通过有效使用关于电流和传热量的电流传输现象的材料。在热电材料(TM)和热电转换元件(TCE)(下文中，为了简单起见，TM和/或由TM、TCE制成的热电材料简称为热电材料)中，在系统中承载电流传输现象的电流的工作介质(WS)是经典的WS，例如经典力学所分析的电子、空穴等，在低温下变得尤其显著的量子效应中的量子WS，或者除了上述之外在TCE WS中扩大到热电宏观量子材料中的WS。并且在从金属到绝缘体的电导率的宽范围内，已经利用了电流传输现象。其中承载电流的WS量大于热传递量的TM或TCE有良好的热电性能。模块或系统由TM和TCE组成。

其中电子和/或空穴是经典WS的TCE的性能通常定义为品质因数Z：

{数学式1}

Z＝S²/κρ，

热电材料的无量纲品质因数ZT(其中T是绝对温度)的值越大，其在热能和电能之间的转换性能就越好。这里S表示塞贝克系数，热导率κ是经典WS的热导率κ_c和晶格热导率κ_ph之和，并且ρ是热电材料的电阻率。为了在不改变T的情况下增大ZT，最好使S的值增大并使κ和ρ的值减小。因为电热特性S、κ和ρ是热电材料中经典WS的密度的函数，所以在经典WS的密度高的情况下，S和ρ是较小的，κ是较大的。根据半导体的理论，为了具有良好的性能，存在用于热电材料的工作温度范围的电子或空穴的最佳密度。为了提高关于经典WS密度的热电性能，可考虑以下三种方式：

1)增加经典WS的密度，并减少ρ。

2)由于维德曼－弗兰兹(Wiedemann-Franz)定律，κ_c与1/ρ成比例，因此减少κ_ph。

3)通过使用具有大的有效质量的经典WS(即电子或空穴)的热电材料来增加S。

在1)的实施例中，需要大量的载流子以实现高导电率。在平带金属中，由于大的费米表面和电子空穴激发的不对称性，获得了高电导率和大的热电动势。因此，热电性能显著提高。例如，由于层状氧化钴Na_xCo₂具有大的热电动势，已经进行了通过使用第一原理能带计算等(NPL 1)进行筛选的热电材料的材料探索。

上文提到的ZT是使用关于热电转换元件中的传热量和电传递的热平衡传输理论而推导出的。该理论适用于量子WS。

对于TM来说期望S是大的，κ是像绝缘体那样小，并且ρ是像金属那样小。这样的TM元件表现为“声子玻璃电子晶体”；其目的在于高迁移材料，其行为像用于电子和空穴移动并且像用于晶格振动的玻璃的晶体。这样的材料存在于化合物或其高密度的固溶体或经典WS的退化中，另外由于κ_ph与TM和TCE的高性能相关而降低导热率。

石墨，例如元素周期表第V族的砷、锑、铋等半金属，2H钙钛矿型钙辉钴矿和尖晶石型钌辉钴矿，它们都是由于多重混合离子状态的位点间的电子交换反应和歧化反应引起的，在空穴和电子等的共存状态下共存于过渡金属混合氧化物的空穴-电子的TM等中。并且在通过RF磁控溅射方法在Ar/(Ar+O₂)<3％的未加热的玻璃基板上形成低温Co₃O₄多晶薄膜的情况下，形成的Co₃O₄薄膜缺氧，并且接近其中源自氧缺乏的空穴和电子共存的本征半导体。当空穴和电子共存时，净塞贝克系数变为来自空穴的塞贝克系数S_h和来自电子的塞贝克系数S_e之和S_Net＝(σ_hS_h+σ_eS_e)/σ。在这里，σ_e和σ_h分别是电子和空穴的电导率，并且σ是净电导率σ_e+σ_h。因为S_e是负的，电子和空穴共存的塞贝克系数的绝对值减小(NPL 2)。

已知的是，在TM或直接发电等中作为WS流磁效应的能斯特效应是来自温度梯度的电动势，并且作为能斯特效应的逆变换过程的埃丁赫逊(Ettinghausen)效应可从电动势中获得温度梯度。已经公开了锑化铟的经典能斯特效应和铋单晶的埃丁赫逊(Ettinghausen)系数的测量结果(NPL 3、4、5)。此外，这些理论分析将在磁场中的热传递运动和电流量的自由度分为二维平面中的平行于磁场的自由度和垂直于磁场的自由度，通过使用与二维平面中的运动分量有关的热平衡传输理论来进行这些理论分析(NPL 6)。经典的能斯特电动势V_N为在这里，W是WM流的宽度，B是磁通密度，N是能斯特系数并定义为：

{数学式2}

在这里，当其热流的方向是x、WS的方向是σ_e时，S_xy是塞贝克系数；当其热流方向是x、WS的方向是y时，κ_xx是热导率。该理论也适用于量子WS。

在使用代替外部磁场的“异常能斯特效应”的热电发电中，其中在与磁性材料的磁化方向和热流方向正交的方向上产生了电动势，磁性材料的磁化方向和其电动势产生方向可在与其热流垂直的同一平面中，并且能够简化其制造并增加其面积。由于异常的能斯特效应，具有高磁各向异性的FePt和MnGa通过交替地平行布置其细线而定向在相反的电场方向上，其电动势与热电偶串对的数量成比例地增加。并且由于异常能斯特效应，电场方向能够根据其磁化方向而从一侧向另一侧反转。即使它们由相同的磁性材料制成，如果这些相邻细线的磁化方向交替设置，那么即使其外部磁场为零，其异常能斯特电压也可以增加。然后，通过改变FePt的制造条件，两种FePt线(硬FePt膜和软FePt膜)具有相反的磁场(矫顽力)，其中磁化方向是交替排列的，通过反转具有小的矫顽力的FePt线的磁化并且之后将磁场设定为零，以制造热电偶，由于异常的能斯特电压在该方向上交替出现，因此获得相邻FePt的磁化方向反转的反平行排列，已知为电动势增加(NPL 7)。

根据NPL 8，如果Bi₂Te₃线的长度短于Bi₂Te₃中声子的平均自由程，则平行于长度方向的声子在线中沿着线发射地传播。在平行于细线的长度方向发生热传递的情况下，声子运动的特征在于细线的长度和/或直径是长于还是短于声子的平均自由程。如果细线的长度和直径长于声子的平均自由程，则根据傅立叶定律，热传递沿着长度和直径扩散。如果细线的直径小于声子的平均自由程，则声子沿直径发射地移动。但是由于细线内表面的粗糙度，热传递小于以声子的扩散运动为特征的热传递。在细线的长度短于声子的平均自由程、并且声子运动较少受细线内表面的粗糙度影响的情况下，声子也沿着细线的长度发射地传导，使得长度方向上的热传递大于以声子的扩散运动为特征的热传递。另一方面，使用非平衡分子动力学模拟，在NPL 9中评价了热传递对纳米管厚度的依赖性。在单层纳米管中，两个内表面的粗糙度减小，使得声子在室温下沿着长度方向发射地移动高达1.6μm。结果，由于声子，热传递的长度大于以扩散运动为特征的热传递。在TCE或分层TCE的几何低维度中，电子移动通过的厚度方向上的横截面面积变窄，以使得电子状态之间的能量间隔比热能大得多。然后，窄截面区域中的电导率几乎消失，因为电子态密度由于几何低维度而急剧变化，并且因为在截面中移动的电子没有散射，并且沿着细线的长度而增强。基于由于几何低维度或分层TCE改善了品质因数的事实的热电装置的实施例是纳米片、超晶格、纳米线等。

目前最广为人知和最广泛使用的TCE是半导体材料(NPL 9)中的例如Bi₂Te₃、Bi_2- _xSb_xTe₃和Bi₂Te_3-xSe_x等的硫族化物，在实际使用的硫族化物材料的ZT约为1，并且认为是目前可商业盈利的下限。实际的TCE限于在低温范围(约500K)中的Bi-Te系统和在中到高温范围(约800K)中的Si-Ge系统。作为新的TCE，还存在层状氧化钴、笼形化合物、笼状热电材料和使用强相关电子的TCE。已经研发了称为类视黄醇化合物(CoSb₃)的高热电性能材料、硅化物(金属硅化物Mg-Si型、Na-Si型)、氧化物(NaCo₂O₄、Ca₃Co₄O₉等)和包合物(Ba₈Al₁₆Si₃₀、Ba₈Ga₁₀Si₃₆、Ba₈Ga₁₆Ge₃₀等)。然而，这些成分中的许多成分由可能对人体有害的元素构成，并且是稀有元素。因此，有必要制造较便宜且环保允许的材料。

Mg₂Si的晶体结构是立方晶体结构和CaF₂型结构，并且是在650K附近具有热电性能峰值的n型TCE。用Ag、Mg₂SiAg_0.05代替Mg具有在300＜T＜500[K]下的-1.8＜S＜0.5[mV](NPL10)。

PbTe基化合物的最高工作温度约为950K。在约450K下，Z最大值为1.7×10^-3K^-1，其中n型PbTe基化合物的电子密度为5×10²⁴m^-3。将电子密度从5×10²⁵m^-3增加使得Z最大值与电子密度成比例地逐渐减小。在电子密度为7×10²⁵m^-3的情况下，Z最大值在约800K下降低到1.2×10^-3K^-1。PtTe基化合物可在300K-950K的宽温度范围内用于热电装置中。

Al-Mn-Si基C54型化合物的单相生成区域非常狭窄，只允许Al和Si的1％取代。然而，由于这种轻微的取代，电子浓度改变，并且获得n型和p型TM。前者的组成为Al₃₂Mn₃₄Si₃₄，后者的组成为Al₃₃Mn₃₄Si₃₃。两种化合物具有出超过300μV/K的非常大的S的绝对值。不幸的是，由于大的电阻率和热导率，不能获得与预期的一样多的ZT(NPL11)。

此外，在非晶/纳米尺寸晶体等的混合结构中(NPL12)，存在许多具有上述不大的ZT但具有较大S的热电材料。

具有大的过渡金属含量的高过渡金属硅化物非常适合于各向异性TCE(NPL13)。由于S本质上是各向异性的并且具有优异的机械性能，预期的是利用各向异性产生高度可靠的TCE。其中S是各向异性的热电材料的电动势ZT_a由纵向和横向之间的S的差异(NPL14)确定如下：

{数学式3}

在这里，T_a＝(T_H+T_c)/2，并且T_H和T_C分别表示热源温度的高温和低温。沿高度对称的轴线的S的测量方向或与其垂直的测量方向分别由符号‖或⊥表示。这种类型的热电材料的电动势是：

{数学式4}

在这里，ΔT是温度差，L是高温和低温热源的接触点之间的距离，D是热电材料的厚度。由于ΔT与热电材料的厚度密切相关，电动势灵敏度V/Q表示如下：

{数学式5}

在这里，Q是热电材料中的热通量，κ_α是相对于高对称轴的α度角度处的平均热导率，H是热电材料的宽度。当接触电阻远小于热电材料的电阻时，该方程式是有效的。这种类型的热电材料的主要优点是在热源处没有交叉。

利用在电极端子之间的空间中移动的电子而产生的电力是热离子发电。该发电利用了通过使用热能而发射来自高温下的电极端子的发射器的电子的事实。在该发电中，由于空间电荷限制电流，电子可抑制从发射器发射的电子。为了减少空间电荷的影响，一种方法是利用铯，另一种方法是在端子之间使用比几微米更窄的距离。在空间中处于等离子体状态的铯保护空间电荷限制电流，并增加了发射极和集电极端子处的功函数值之间的差值，以便增加电动势。然而，在空间中，由于电子之间或电子和铯核之间的弹性或非弹性碰撞，电子的能量损失。端子之间的距离为0.1mm的发电在宇宙中使用。

在PTL3中所表示的机械合金化工艺中，通过在不改变化学组成的情况下形成TM的多晶体来改善热电材料的ZT。改进上述使用聚乙烯醇作为粘合剂的工艺，压制硅化铁粉末并在压制后通过加热除去聚乙烯醇，PTL4旨在通过由溶胶-凝胶工艺或通过干膜制造工艺产生的非晶结构膜来降低制造成本。根据PTL 5，放电等离子体烧结防止TM再结晶。

根据NPT15，为了通过降低热导率而不降低导电率来增加TM的ZT，在将由BiSbTe制成的晶体在氩气中压碎成几十纳米后，通过热压形成多晶。以低成本在多晶中形成非晶和结晶之间的中间结构，使得多晶的ZT从1增加到1.4。在NPT6中，为了防止热传递并允许电流，在由每个晶粒尺寸约为或小于100nm制成的多晶体中设计TM，其中，在由玻璃固体制成的基本上不具有晶界的TM中，由于晶格振动热传递极大地减少。通过气溶胶沉积方法使用“室温冲击固结”，由基本上笼状结构的多晶体构成的TM形成在基底晶体上。

由潜在的WS决定WS如何移动通过成分之间的空间。在空间的界面附近，由于WS电荷的电镜像效应，电势变低。通过仿真或分析方法获得电势，如在NPL16的情况下。

WS可从s的界面移动到空间中，这是由于WS必须用热能、电磁能和/或其他能量穿过势垒，或者穿过隧道。在热离子发射中，来自界面的发射电流量通过理查森-杜师曼(Richardson-Dushman)公式与功函数相关联。在电子的场致发射的情况下，隧穿电势的电流还可通过福勒-诺得海姆(Fowler Nordheim)公式等与场强度相关。从界面放出的WS流的量由隧道概率、界面中的热能和/或入射到界面上的电磁波等决定。在用激光进行表面间照射的情况下，WS流的量由激光照射强度决定。在空间中的WS的电流密度超过1×10¹⁰A/m²的情况下，由于空间中的场致发射空间电荷量将突然变大，并且在空间电荷限制下的WS流的量不能增加，然后ZT变差(NPL17)。空间的宽度越短，空间的热电材料的效率越好。

在由功能梯度材料(FGM)制成的热电材料中，其中由于掺杂杂质其电子密度控制为在热电材料中构建的工作温度范围内的温度梯度上连续变化，热电材料的热电性能可大于由均匀构造制成的热电材料的品质因数。在组合一些热电材料的情况下，热电性能的概念根据预期用途而彼此不同。金属部件(例如，热电材料和电源的电极等)也对热电性能有影响。在热电材料中形成空间的情况下，通过调整各个空间的相对端的表面之间的距离L_max(T)(以下将空间的相对端的表面简称为相对端面)，相对端是包括线索的尖锐角的堆形线索(下文中，为了简化，包括线索的尖锐角的堆形线索简称为“线索的尖锐角”)，并改变尖顶的表面尺寸(下文中，为了简化，尖顶的表面尺寸简称为尖顶的表面)，或者通过改变相对端的表面的形状，WS可移动通过空间，并且在没有WS热传递时减少热传递。

在将许多分段的热电材料组合成具有空间和/或桥接空间的热电材料的情况下，热电系统的耐久性由疲劳决定，所述疲劳是由于通过与永恒电功率和/或载荷相关联的热电材料和电极之间和分段热电材料之间的界面处的温度分布、通过空间和桥接空间的热膨胀以及通过在操作期间热储存器的热波动的热应力。已经报道，热材料和/或电极之间的接触电阻增加，并且因此发生了由于疲劳的裂纹的焦耳热引起的烧毁。通过在热电材料中提供空间和/或桥接空间可防止热膨胀产生的热电系统的机械损伤。由于空间中的空间宽度大于L_max(T)，由于量子波动(特别是在低温温度下)、由于在操作期间通过温度波动在界面处的热应力以及由于除了WS移动通过在操作中发生的界面之外的物质所引起的破坏可被抑制。

高温部分和低温部分之间的温差越大，热电材料中的空间数量就越多。另一方面，无论温差是宽范围还是窄范围，桥接空间的数量越多，则热电材料中除辐射损耗之外的额外能量损失就越少。

核电池是将辐射的能量转换成电力的装置。它可分类为是否使用与核衰变相关的热能。i)使用热能的装置是热电转换系统或热电子转换系统。ii)在不使用热能的情况下，通过辐射照射半导体的p-n结的系统获得电动势。

在使用放射性同位素的热电发电中，通过使用在辐射粒子束的收集部分或在包括放射性同位素的部分的衰变热中的热能、在放射性同位素的自然衰减过程中使用辐射粒子束来发电。在TM和TCE内部或TM、TCE和WS的良好导体之间，存在具有段落0019中的i)和ii)和段落0020以及本段落中描述的益处的发明。

为了将TM组装成模块，需要以某种方式将它们彼此连接。接合方法的实施例是焊接接合法、热脉冲法(热等离子体喷涂法)、物理气相沉积法、焊接法、电镀法(化学气相沉积)、压力接触法、扩散接合法、烧结陶瓷厚膜法(接头组装法)或其它接合方法等。在焊接接合法中，使用中的焊接材料的扩散导致劣化。烧结陶瓷厚膜法常常由于连接界面中的氧杂质或污染而产生物理缺陷。除了接合之外，热应力在接合界面中产生，并且之后基本上会影响热电装置的使用年限。

在热电材料和/或由热电材料制成的模块和系统中发现可作为更好的改进的发明。

根据要工作的温度范围和传热量，必须通过选择热电材料的类型、几何形状和尺寸以及它们周围的绝热材料的类型和厚度来优化使用热电材料的系统。

例如，在多级Π型模块中，在阶梯模块的上部从阶梯模块的两个支腿处传递阶梯Π型模块的热值，即，上部的阶梯Π型模块从阶梯模块的所有支腿处吸收热量，并且在它们之间必须产生不同温度，因此上部的阶梯Π型模块的支腿必须具有比其他阶梯Π型模块的支腿更大的热吸收能力。因此，多级Π型模块必须是圆锥形的。增加多级Π型模块的顶部和底部之间的温差降低来自多级Π型模块顶部的吸收热，其整体通常保持在真空容器中以去除热传导和大气对流的影响，在约-100℃的低温下，来自周围的辐射对多级Π型模块有很大的影响。必须说明热电材料外壁的部件，其是绝缘材料、绝热材料、外部冲击减轻、辐射屏蔽等。可通过使用空气冷却片、具有风扇的空气冷却片或水冷却来发散热量，并且还必须考虑与其它结构的热交换。热电材料通过油脂、粘合剂和焊料附接到电极和结构上。为了在段落0022中描述的热电材料制成的系统和模块中，不发生焊料的电化学溶解或不发生油脂、粘合剂等的扩散，并且防止水分侵入到模块和系统中，使用环氧树脂、硅树脂等进行密封。通过这种润滑脂和密封剂的使用，在模块的低温部分和高温部分之间产生了更多的热传递，系统的性能恶化。热电发电的输出功率P表示为：

{数学式6}

其中，T_H和T_C分别是储热器的高温和低温。m＝R_L/R，在这里，R和R_L分别是内部电阻和外部负载的电阻。电极和热电材料之间、不同种类的热电材料之间等的电接触电阻R_C对热电发电机的模块效率η的影响表示为：

{数学式7}

其中，

{数学式8}

和

δ＝R_c/R。

根据NPL6，Cu/Ni电极在Si/SiO₂基底上被金属化的位置处，利用电化学沉积方法以截面积A和高度H的形式制造热电装置Bi₂Te₃，其Bi₂Te₃合金的电阻R_Bi2Te3等于并且P与H/A成正比。其中，ρ_Bi2Te3是Bi₂Te₃的电阻率。已经报道，当H在固定的H/A下从微米尺寸缩小至纳米尺寸时，所需的横截面积减小而功率密度增加。作为实际应用，通过人体和大气之间的温度差，P约为10μW。

TCE的电动势非常低，其中体内的多个TCE串联连接在绝缘陶瓷上的Π型模块通常被实际使用。通常还使用Π型模块的变形模块，例如龙门型模块或梳型模块，或者与Π型模块或龙门型模块不同的模块，其为具有或不具有翅片等的集成模块，用于在一对TCE的电极上接收/发散热量，该TCE具有不同极性和串联压制电极和结构材料的材料。其实施例是提高能量效率的珀耳帖装置。通过将也用作一对具有不同极性的TCE之间的电极的吸热片和散热片做成夹层结构，并且通过在这些吸收片的阵列与这些散热片的阵列之间的边界处提供隔热壁，可带来冷空气或热空气。

可能地，通过在交替层叠之后将具有不同极性的一对TCE形成为薄片，并随后一起烧制而构成的集成多层模块具有以下特征：

i.不需要用于连接TCE的电极。

ii.不需要确保TCE之间绝缘的空间。

iii.即使当TCE的数量增加时，其也具有高的面积效率。

iv.即使当温度差较低时，也容易获得高的电动势。

以这种方式，已经设计了除Π型模块之外的各种模块。

将段落0021描述的上述各个发明应用于TM或TCE的模块组。

由夹在电极之间的一对不同极性的p型和n型TCE组成的Π型模块的内部电阻和热导率取决于其横截面和长度。模块的内部电阻R_i ^mod和模块的热导率κ^mod取决于一对不同极性的长度和横截面积。模块的品质因数Z^mod是：

{数学式9}

通过改善图形系数(热电材料的矩形形状的横截面积/长度)和性能系数Φ(在冷却系统中＝Q_c/p或在发电系统中＝Q_h/p)，使得表示对应于通过不可逆过程的损失的R_i ^modκ^mod减少，即不可逆过程中生成的焦耳热和能量损失以及释放到周围环境热辐射减少。其中Q_c和Q_h表示来自相应的热储存器和冷储存器的热传递量，并且P表示电功率。并且作为绝缘体的陶瓷基体在一些模块中使用或不在其它模块(骨架类型)中使用。通过基体的几何尺寸和储热器之间的温度差，在插入热储存器和冷储存器之间的热电模块中产生的热应力在陶瓷基体上变得比在骨架类型的基体上更大。针对在段式杂合热电模块等的内表面附近产生的热应力，其中储热器和绝缘体、绝缘体和电极、电极和热电材料以及不同异质热电材料的若干组合物都串联堆积，与通过相对于组成比和杂质浓度的最佳温度范围分区的热传递平行，通过改进热耐久性循环以抵抗在段式热电材料的界面处产生的热应力进而改进耐热性正在付诸实践。

涂覆有与热源和另一不同热源接触的绝缘体的电极是成对的。在这些电极之间，系统以Π型模块为单位进行配置。例如，具有相同TCE极性的许多Π型模块支腿全部布置在并联电路的涂覆的电极上，以增加发电时的输出电流。另一方面，相邻的一对Π型模块彼此上下颠倒，并且位于上下的串联配置和具有不同TCE极性的相邻对在每个涂覆电极上附接到串联电路，以便增加输出电压，并且存在上述构造的复合布置。因此，许多Π型模块是由储热器、电极和不同极性的热电材料组装而成的。为了提高这些Π型模块的效率，必须改变TCE的品质因数。在这种情况下，Π型模块中的TM横截面积和长度可彼此不同。在用于热电发电的系统中，其部件从特定热源获得传热量Q_in，这些部件给予热电模块的热值为Q_in，并且在TM中流动的热值发射到具有热值Q_out的另一热源。对于这些持续时间，获得的电力P作用于外部部件。因此，能源收入和支出之间的平衡(或均衡)维持为：

±P＝Q_in-Q_out

(+表示通过塞贝克效应发电的情况，-表示通过珀耳帖效应的冷却系统的情况)。系统性能η为：

{数学式11}

为了最大化η，考虑以下因素，

1)平衡要使用的模块的目标性能和能力。

2)以经济的方式使单个模块的性能最大化。

例如，发电的系统效率η_gen为

{数学式12}

使用用于外部工作的外部电阻R_o拟合与模块的内部电阻R_i ^MOD的比率m＝R_o/R_i ^MOD，m必须优化以便最大化η_gen。已知的是最大效率η_gen仅由温度条件和物理性质(即TCE的品质因数)决定。另一方面，冷却系统效率η_re表示为

{数学式13}

必须优化m以便最大化η_re。因此，进入R_o的WS流最小化，然后P最小化。

本段落的优化适用于由TM和/或TCE制成的模块组或系统。

此外，由于在宽的温度范围内，任何TM和TCE都不具有良好的发电特性，在超过几百度的高温情况下，已经生产了层叠多种类型的TM的级联型热电模块，在高达约600℃的范围内进行应用的开发。这些模块的温度或温差很大时，其热电转换效率变高(NPL19)。通过使用上述设计的改进，模块或系统可由TM和/或TCE构成。

市售的热电模块用陶瓷板等的外壁覆盖，以便一般使用。在将由它们制成的仪器应用于一般用途时，装置与用于在压力下受热和/或耗散的翅片组合，仪器的耐热性逐渐增加。为此，对于热源之间的可用温差来说，热阻不再有助于发电，这些的效率降低。通常，仪器的转换效率降低到模块的近一半。

TM的转换效率并不总是足够的，关于降低仪器转换效率的问题的解决方案，当仪器的热源处于相对高的温度时更有效。虽然使用陶瓷板将仪器的外部部件牢固地压到低温热源上，但发现通过高温热源和仪器电极之间的直接传送和接收，仪器的电极不接触而是直接暴露于高温转换方法(NPL 20)。由于省略了热侧陶瓷板和集热系统，因此降低了热侧陶瓷板和集热系统的耐热损失，此外可向热电材料添加高温差，则这是对热电转换的显着改进。由Π型模块制成的两级级联模块的转换效率为以前模块的83％。此外，由于模块的高温部分从压力接触力释放并且是悬臂结构，因此已经被视为常规问题的由温差引起的热应力变形问题也减少了，安装的多功能性已经扩大，并提高了其可靠性。此外，由于悬臂结构，模块热区段从接触压力打开，也减轻了由常规问题的温差引起的热应力应变问题，并且提高了设置仪器的多功能性的扩展和可靠性。

引用列表

专利文献

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发明内容

技术问题

作为目标的热电材料是具有大的热电功率、低电阻率和热导率的复合功能材料。在通过TM的材料探索的改进中，精确测量这三个参数是不可或缺的。热电材料和包括这些热电材料的模块不能通过作为超导材料或铁磁材料的转变温度的“数字”屏蔽方法进行扫描。使用PTL1和2来代替通过热电材料的材料探索进行改进，

1)在传统量子或宏观量子系统中，控制相对端子之间的空间中的内部端子间距离；，

2)在TCE空间和与精细结构交联的空间的空间部分的桥接空间中，通过使用由热电材料制成的系统外部的电磁场和/或辐射对WS流控制；

3)允许在由TM和TCE制成的模块和系统中进行发电、制冷或加热操作控制；

4)通过使用TM和TCE、WS的良导体等以避免由于电荷和/或由于系统外部的光或系统内部的辐射源等的辐射产生的热滞留而发生的损坏；

5)由一对不同极性的TCE和绝缘体构成的Π型模块，由串联和/或并联混合或那些除了在“由TCE的组合构成的模块组”中的Π型模块(以下简称为“由TCE的组合构成的模块组”)的TCE的混合而组合构成的另一Π型模块组；

6)为了避免由于电荷和热滞留、绝缘体、TM、TCE等造成的损坏，从而不会引起WS流和/或热流的大干扰，并且以这种方式，制造了“由TCE的组合构成的模块组”。将不应用PTL1和2的装置的TM定义为第0代热电材料，则上述“由TCE的组合构成的模块组”对应于第1代热电材料；但是，

7)通过使用PTL 1和2的装置，由第0代热电材料构成的第0代热电转换元件的处理的上述1)-4)，此外随着第1代热电材料的空间辐射能量损失越来越少，必须制造第1代热电转换元件；

8)由第1代热电转换元件和第0代热电材料制成的制造材料，即因其包括上述制造材料，通过使用上述5)和6)工艺的第1代热电转换元件成为第一代热电材料，并且通过使用PTL 1和2的装置获得了由第1代热电材料构造的第2代热电转换元件，然后如前所述的第2代热电材料，这些工艺依次进行，使得所获得的热电转换系统的热电转换效率接近卡诺效率；

9)到目前为止，处理了两个不同热源温度中的一个与环境大气一致或不一致的基本系统。在两种或更多种不同的热源温度下，目的是为了制造与第i基本系统(i＝1,2,…,自然数，基本系统对应i＝1)相结合的卡诺效率接近的第i热电转换系统。

解决问题的技术方案

如图1所示，设置亚微米宽度的空间12(为了简单起见，以下简称为材料10和11之间)以防止在热传递方向和WS流流动方向上的热传递。权利要求1的特征在于，在12中的WS流的量几乎等于或保持高于左右两个的10和11中的WS流的量，然而，减少由准颗粒引起的热传递(例如晶格振动、磁振子或自旋波等)，热源或空间与相邻材料之间的热波动、低温下的量子波动和宏观量子波动使热电系统的效率提高。在图1的空间12中的热电材料10和11的端子之间，从其支腿设置在安装形状顶部或者与16的11的间隔表面的任何形状一样厚的尖顶尖端到其面对的端子表面14的距离被描述为“距离”L_max(T)，这取决于表面13的绝对温度T。在距离大于L_max(T)的情况下，通过声子等的热传递量通过空间12的量几乎可以忽略。此外，由于自旋波或磁振子等的L_max(T)比由于晶格振动的L_max(T)小得多。L_max(T)可从测量表面距离和原子力显微镜的一些实际测量范围中进行估计。另一方面，其宽度小于亚微米的空间12使得可避免受限于WS的空间电荷限制。通过使空间12的宽度以亚微米级接近L_max(T)，可产生空间12以增加通过空间12的WS流的量。在操作期间，由于空间12中的辐射能量损失导致的热能传递取决于在空间12中的13和14之间的温差以及彼此面对的端部。在端子13和14之间的距离比L_max(T)宽但比亚微米窄的情况下，空间12中损失的辐射能量可忽略不计，因为热电材料的相对端部或热电材料的相对端部与电极在空间12中彼此之间的温差是几个开尔文温度。此外，由于空间12处于真空中，因此通过对流抑制了热传递。金属的热导率主要是由于传统WS的热导率κ_c，然而在半导体的情况下，由晶格引起的热传导分量κ_ph变得更大。通过利用空间中κ_c和κ_ph的物理传输现象的因素的差异，其是κ_ph的值为零并且κ_c的值减小的设备。在κ_ph分量与κ_c分量相同，由声子引起的热传递被抑制，并且其它参数不改变的情况下，数学式1中的品质因数将容易是未抑制的两倍大。在一些具有大的品质因数的热电材料中，κ_c的量与κ_ph的量一样大。

产生了在空间中的其表面面对“线索的尖锐角”的尖塔。设置在安装形状的顶部上的尖塔支腿根据热电材料或WS的良导体的端子表面间的任何形状而变厚。图2是其中尖塔支腿增厚以释放WS的实施例。

图3是彼此相对的两个尖塔是纳米级的尖顶结构并且尖塔尖顶的彼此面对的两个表面之间的宽度d是亚微米级或更小级别的情况。该结构是在WS的发射和接收部分处控制WS流的优良结构。

结合在本说明书中并且是用于描述构造一部分的附图，示意性地示出了根据本发明原理的一个或多个可行的实施例。在用于原理的一般概念的附图中，强调了本说明书的本质。

在由“用于与外部世界的系统连接的端板”施加的电流或电压可以供应或不供应包括WS的TCE的情况下，以任一方式空间被施加电压，如果尖塔的高度高或者“尖锐角”14的表面和尖塔尖部13之间的距离从比宽度L_max(T)更宽接近L_max(T)，或者用保护构件14和尖塔尖部13覆盖“尖锐角”的图1中的保护构件16的曲率半径小于增加的施加WS的电场的大小，然后保护构件16附近的WS势垒的高度和宽度大大地减少。通过使用增强因子β，在尖塔13的凸形端面处出现的最大电场E_convex描述为E_convex＝βE_s，β取决于来自热电材料11和尖塔支腿之间的接合表面的高度以及取决于在覆盖有保护构件16的尖塔13的尖端凸起处的曲率半径。在这里，E_s是平板附近的电场，其对应于作为平板的TCE中的WS释放表面13。为了使WS隧穿空间12，E_s值必须大于10⁹[V/m]。在“线索的尖锐角”14的表面和用于覆盖有保护构件16的尖塔13尖端的凸起处的曲率半径较小、高度较高以及“线索尖锐角”14的表面和尖塔尖部13之间的距离较短的情况下，在覆盖有保护构件16的尖塔13的尖端处的电场可以增加。通过WS释放方法，尖塔中的电流取决于电场以及尖塔13的凸起端面处的WS释放区域，该WS释放方法不仅取决于各种WS，而且取决于使用热能的WS释放、WS的场发射、由于光等引起的WS发射和/或根据电流流过12的WS的空间电荷限制。

在具有正或负极性电荷的WS或具有两种极性的WS(例如不同的正电荷和负电荷)在TCE中的热离子材料中移动的情况下，另外，温度梯度、WS浓度梯度、WS速度梯度等可通过电、磁源和/或类似温度设置在TCE外部而产生。这些梯度对于传统WS、量子WS和宏观量子WS而产生相应的显著操作。此外，这些热电材料系统的空间维度限制了量子WS和宏观量子WS在其内的运动，该运动之一分离了电荷和自旋的自由度。能够给各个尖塔等增加电磁场。通过其中垂直于由正负WS电荷在其中的每一个流动的两个相邻尖塔设定的平面而添加磁场的方法，WS流和热流的方向可彼此分开。这些电磁场的效应通过WS在尖塔或在空间12中的两个相邻尖塔中移动而出现。此外，隧穿量子WS的概率随着宏观量子WS的质量增加而以指数方式减小。通过利用宏观量子WS的隧穿势垒的概率以指数方式减小的事实，可能进行传感器制造以发现非常小的变化。

通过施加到图1中的空间12的电压，如果在13附近所获得的电场强度不能增加到所需的值，则i)尖塔的高度高，并且与尖塔支腿接触的表面和面对该表面的表面之间的距离较宽。或者ii)WS的量小。在上述i)中，由于段落0025，在13附近所获得的电场强度增加到所需值，并且由于尖塔的高度较低，辐射能量损失可减少。或者通过在段落0025中描述的Π型模块，即使尖塔的高度高于微米，面对尖塔的表面之间的距离小于微米。然后可减少辐射能量损失。在上述ii)中，如图4所示，通过使作为带电粒子接收表面44的WS的形状变形至环绕带电粒子放射尖端43，电场为最大电场E_convex的区域比变形前的区域增加以及因此用于带电粒子发射的增强部分的区域增加。更多地，WS接收表面44的尖端部分处的电场可达到最大。在通过单个尖塔的WS流小的情况下，通常使用塞贝克系数非常大的热电材料，但是如图5所示，其表面与尖塔尖部的相应表面平行的许多的中空部分50，51和52彼此改善，以增加比在尖塔中的WS流更大的流动。在这种情况下，50，51和52的每个温度应当处于相同的温度。

在图1中，WS的电位和动能的值根据通过图1中空间12的WS移动而彼此不同，在醚热电材料或导体(即10和11)中，在尖塔尖部13的表面中或在“线索的尖锐角”14中。并且可能的是WS自身的种类可改变为其它WS。在WS沿着从11到10的方向移动的情况下，从尖塔尖部的表面13发射的WS从热电材料11吸收热量。另一方面，WS移动通过空间12并到达WS接收端子，即“线索的尖锐角”14，然后在尖塔中WS占据能级的最高能量和WS占据WS接收端子14中的WS未占用导通能级之一的能量之间的WS差被释放为能量，例如热电材料或WS良导体中的热等。利用在该WS接收端子期间产生的热量，可使用在上述过程期间产生的热能来增加热电材料10的电动势。

在移动通过图1的空间12的WS已经穿过WS接收端子(即“线索的尖锐角”14)并且将穿过热电材料或由WS良好导电材料10制成的电极的表面，或者穿过尖塔13的表面的情况下，WS的能量通过在穿透端子和表面的隧道处的隧道摩擦而消散到端子和表面附近的WS表面状态，使得通过这些材料传导的WS浓度的量增加，然后WS流的量也增加。另一方面，移动通过这些材料或通过这些材料中的空间的WS具有平行于WS流流动的方向的动量。可通过使用该平行于WS流的方向的动量来进一步增加WS流的量。由于WS增加的动量，根据权利要求的TCE中的WS流的量可以是大的。

在WS工作通过“尖塔尖部(或线索)或尖塔”的表面与其面对端子或线索之间的表面之间、或在面对线索之间的空间的终端间距离的情况下，确定了在某些TM的传统或在其它TM中的量子系统中WS工作的温度极限，并且在相对材料中的宏观量子系统中工作的WS也是在每个材料中确定的，该相对材料彼此间隔端子间距而设置。ZT值由在广泛使用的TM或所有温度限制所确定，该温度限制的范围为从传统系统到量子系统或到量子系统和宏观量子系统，宽或所有温度限制分成对于每个分段的热电材料的一些温度限制，其中相应的每个热电材料处于ZT的最高值，在将许多分段的热电材料组合成一个的情况下，热电材料的ZT值得到改善。在将许多热电材料组合成一个作为具有空间的TCE的情况下，分段热电材料的ZT值比没有空间的分段TM的ZT值进一步提高。此外，空间使得由于在使用中的物质、焊接材料等的热应力和/或扩散而导致的损坏减少。由于WS通过由热电材料等制成的空间中的上述描述的相对表面，可利用热能发射和/或吸收、平行于WS流方向的WS动量分布和/或在相对表面中的自旋分布的变化。

权利要求1与TCE有关，其具有在面对图1中的尖塔尖部(或线索)13和尖塔14之间的空间。通过使用上述方法，WS难以通过空间，通过空间的WS流的量可为小于热电材料或夹入空间中的热电材料和WS良导体中的WS流量。在这种情况下，通过桥接材料的桥接空间82，与热电材料或热电材料和WS良导体80和81连接的桥接材料的每个支腿可变厚，其可根据热电材料或WS的良导体的端子表面的任何形状、并且通过使用其长度大于L_max(T)的桥接材料抑制由于从81的端子到80的直接晶格振动的热流动而实现，通过桥接空间的WS流的量可远远超过空间的WS流的量。如图8中的83所示，以及此外通过桥接空间的晶格振动的效果，直径为几纳米的柱(图8b)或者至少是其中垂直面的一侧与WS流的方向是几纳米的长度(图8c)的“平面”要比不是其横截面表面的晶格振动更加显著。在这种情况下，除了WS流流动的方向之外，WS不散射，如果“平面”的面积不影响沿着WS流流动的方向散射的WS，则WS流的量是大的。如图6所示，WS流受特殊尺寸的影响。在桥接材料中的WS流的量小于热电材料或夹置桥接材料的热电材料和WS良导体中的WS流的量的情况下，由用于WS的导体制成的桥接材料的横截面积增大，否则由用于WS的导体制成的精细结构的数量增加。在中空圆柱形状和几纳米壁厚的平板中(图6b和c)，WS流的量小于柱中的WS流的量(图6a)，但是优于在空间三维中的块体中的WS流的量。权利要求2的特征在于，TCE的热电性能由于以下事实而增加：桥接空间包括在TCE中，桥接空间与穿过热电材料或热电材料与WS良导体80和81之间的空间82的精细结构相交联，如图8所示。

通过热电材料或通过由图6a中的柱和图6b中的中空圆柱形状的组合或图6c中的平板的组合制成的结构(图7a的剖视图是用于前者，而图7b是用于后者)的WS流的量不小于并且在组合横截面上必须大且不小于WS流过没有如图8所示的细柱结构的热电材料的WS流的量。此后，为了简单起见，桥接空间中的这种类型的桥接结构缩写为精细结构。数学式1中的品质因数可通过在其中WS的迁移率高的精细结构中的层状结构的界面上的声子散射的增加而扩大。另外，由具有其中WS不沿径向方向传输的厚度的WS的低迁移率材料制成的贯通部分与WS的高迁移率的部分相邻，通过该部分，通过全部精细结构的WS流量增加使得可增加从数学式1得到的品质因数的值。在精细结构83的长度短的情况下，声子运动是发射地运动的，使得精细结构的热导率高，然后品质因数降低。在长度83长的情况下，记住只要辐射能量损失增加，然后可通过使用由热电材料制成的精细结构不仅增加了在精细结构中产生的电动势，而且还通过其中产生的电动势增大了品质因数。

在精细结构的长度比声子的平均自由程长的情况下，热传递遵循傅立叶定律。长度越短，声子运动变得更加具有发射性，使得热传递增加进而包括精细结构的TCE的热电性能更差。在图8中，在精细结构83和80或81之间的界面中，没有尽可能大的桥接空间。为了使通过精细结构的WS流的量超过热电材料的量，在空间中引入许多精细结构的桥接材料，如图9所示。

电流由传统WS、量子WS和宏观量子WS承载。热量伴随着产生电力的WS、通过晶格振动、辐射等传递。在空间的宽度窄或者通过精细结构桥接空间的情况下，可在低温下利用量子WS。此后，为了简单起见，由精细结构桥接的空间简称为如前所述的桥接空间。在磁场施加到热电材料的情况下，并且WS电阻施加到WS流，由于霍尔效应和能斯特效应，热传递和电流的方向以及电压梯度的方向不同。用于晶格振动的桥接空间的宽度大于L_max(T)，并且以防止除了伴随WS流的热量之外的热传递而建立的桥接空间和空间，使得TCE的热电性能提高。

在面向并接触图10中的空间102的热电材料101的端子被包括光和辐射的电磁场照射的情况下，那些能量被施加到WS。并且WS变成更高的表面能态，那么在WS经过WS的势垒进入空间102的能量减小。此外，在后者中，WS隧穿的势垒宽度被减小。否则，在热电材料的端子中的WS可利用容易从热电材料的端子逃离的WS的能量状态。辐射主要用于帮助WS从释放WS的端子运动到接收WS的端子。权利要求3表示来自布置在图10的102中的电磁场源和辐射源的能量被供应到移动通过空间102的WS，WS在从释放WS的端子和从其释放WS的材料101的端子的空间102中离开，使得WS可容易地穿过空间102。辐射源还可嵌入在材料101的端子中和/或面向从其释放WS的101的端子的100的端子中。在辐射源放置在靠近或嵌入在覆盖与尖塔和/或尖塔支腿接触的101的105和106中的情况下，可通过辐射衰减来利用热量。在使用光的情况下，WS发射表面可由通过玻璃纤维引导进入102的光来照射。否则，通过在空间102中的相对端子的外端之间的距离增大，光能够抵达102的中心附近的端子处。在图10中，还可包括由建立端子101上的尖塔的场发射效应。

由于图1中的空间12，扩散固体原子减少，在特别高的温度下，减小了穿过热电材料和/或电极之间的界面的相互固体原子扩散，此外，TCE中的内电阻R_i也降低，并且TCE的耐久性寿命提高。如在冷却操作中，可减少TCE的R_i值，使得R_i的减少不仅可降低吸热量，而且可降低由R_i(I_ac)²/2得出的吸收能量。如果WS的电流包含交流部分I_ac的分量，则在具有相同波纹比的相同电源下，TCE的热电性能提高得更多，该波纹比是AC分量与DC电源供给的比率。

在包括空间和/或桥接空间的TCE中，WS的移动性相对于WS运动的位置和时间是不均匀的。在WS所具有的电荷流入和流出的彼此不同的界面处，在该界面WS所具有的流出或流入的电荷被大大地积累，并且该积累的电荷防止WS移动通过界面。并且WS的电荷在界面处积累，然后发生TCE的劣化。通过用WS良导电涂层和/或厚构件15覆盖接收WS的端子上的“线索的尖锐角”的方法，WS流的量可增加并且均匀。可省略在释放WS的端子上的WS良导电涂层和/或厚构件。权利要求4的特征在于，通过用WS的良导体涂覆接收WS的表面和/或尖塔表面来获得局部存储的电荷被扩散的效果。

保护构件16消除了在设置辐射源和辐射照射的点处的损伤，并且由于辐射源处和辐射衰减照射的点处的辐射衰减的热能，能够期待通过隧穿或越过势垒增加WS流。抑制了用保护构件覆盖的释放和/或接收WS的端子的粗糙度，可通过在这些端子处较少地散射WS来提高TCE的质量。

良导体的薄膜涂层增强了TCE的质量或者减少了由于防止表面上的热集中而导致的劣化，并且增加了每单位时间获得的能量的量。通过涂覆接收具有良导体的WS的“线索的尖锐角”的表面或释放具有良导体的WS的尖塔尖部的表面，从端子移动到另一热电材料的WS的势垒是基于接收WS“线索的尖锐角”的表面和/或释放WS的尖塔尖部的表面之间、或每个端子和热电材料的其相应内部部分之间的浓度差异而减小，或者减少了基于WS浓度的不足或过量的TCE的断裂。

在TCE具有空间的情况下，由于WS移动穿过空间，局部冲击和机械损坏使得端子或表面发生劣化。此外，通过在空间12中封装金属蒸汽或气体，WS的能量状态由于WS与原子和/或分子之间的碰撞或通过空间12中的WS之间的碰撞而改变。权利要求5的特征在于，涂覆表面或将表面与其它材料结合，所述表面是具有从尖塔尖部释放的WS 13的尖塔尖部的表面或接收WS 14的“线索的尖锐角”的表面，所述其它材料的构成原子之间的力比未涂覆或不结合表面或者其中发生协作运动的力更强，以消除除了在WS已经隧穿或接收的表面中的摩擦之外的热电材料故障。可替代地，可通过吸收振动来防止TCE的劣化，其中笼形结构化合物用于接收WS 14的“线索的尖锐角”。例如，WS良导电涂层材料可在主要包括Csp²的Csp²、Csp³等各种混合比例、其它原子和/或分子等的材料中实现，并且在高绝缘材料中的原子之间的大结合力可在主要包括Csp³的材料中实现。

由于通过使用空间或桥接空间的功能梯度材料(FGM)，权利要求6的特征在于发电、冷却或加热操作系统的配置，该配置被改变成与通过将在装置创建中无缺陷及由于电极材料的组分或热电材料的扩散使性能下降的影响小两者相结合而创建的系统相同。如图11所示，释放WS的表面和接受WS的表面之间的距离可改变间隙距离。

对于在热部件和冷部件之间的宽温度差中的热电材料的发电，可通过在TCE中构成许多空间的方法来增加电动势。如图12所示，TCE由许多分段的热电材料和/或导体组成。在这种情况下，如在段落0047中提到的，在TCE中的端子121上形成的由TM和/或导体制成的纳米尺寸柱(即尖塔)或线圈的高度以及释放WS的表面的纳米尺寸结构的曲率半径对于在热电材料中的WS和/或在热电材料中WS转换的导体和/或包括空间的导体的状态的体积密度的变形具有影响，但是这些高度和曲率半径、用于释放WS的尖塔的表面区域(例如纳米尺寸柱的尖端和包括线圈侧面的线圈结构)、释放WS用于尖塔和线圈结构等之一的表面与接收WS用于面向尖塔的“线索的尖锐角”的表面之间的最佳距离、和/或最佳的空间数量确定如下。通过从亚微米并大于L_max(T)接近到L_max(T)，空间两端之间的距离的宽度减小，如在图12的发电操作的具体表示，空间中的WS流的量如在下面地更多地增加。

1)在尖塔的表面与其面对空间中(即“线索的尖锐角”)的端子之间的距离大于L_max(T)的情况下，通过使用声子的热传递在空间上可以忽略不计。如在段落0035中提到的，L_max(T)与构成尖塔表面及其面向尖塔尖部的原子之间的力有关，并且由原子力显微镜的针的原子之间的距离的实际测量范围确定，所述原子力显微镜的针的原子是上述表面和其尖塔尖部其中之一的目标表面中的一个。可通过考虑热膨胀、热源的波动和特别是在低温中的量子波动来补偿L_max(T)。

2)在操作期间，在空间中(即“线索的尖锐角”)或尖塔的凸起表面的附近的增强电场近似为电位差除以尖塔尖部或尖塔的表面与其面对端子之间的距离以及通过乘以增强因子β而得到，该增强因子β是尖塔尖部(即“线索的尖锐角”)或尖塔的高度除以表面的曲率半径。另外，通过数值模拟确定增强电场。表面及其面对端子之间的电位差也受到空间任一侧的热电材料和/或导体产生的电动势的影响。

3)由于WS的热激发、在低温温度的量子波动、隧穿，WS流过空间的量取决于WS发射面积和WS流流动的方向。如在第0008段中提到的，在注入WS的尖塔尖部的表面中和在与尖塔尖部的表面相对的“线索的尖锐角”中，取决于WS流的流动的动量方向的通过尖塔尖部的表面的TM中的WS的状态体积密度从预注入变化，使得状态密度的变化影响微观电导率和热导率。在与尖塔尖部的表面相对的“线索的尖锐角”和其上直立有尖塔尖部的表面的端子之间的部分与细的精细或柱状结构交换成几个纳米直径的情况下，结构的物理特性的改变提高了空间的性能。通过优化在空间中接收WS的端子的空间变形形式以及面对着尖塔尖部表面的“线索的尖锐角”和其上直立有尖塔尖部的表面的端子之间的距离以满足上述2)，空间中的WS流的量越接近热电材料和/或导体的任一侧的WS流的量。通过上述设计的方法，如段落0008中所述的，可平稳且有效地发生WS流过空间。

4)在通过空间中的单个尖塔尖部或尖塔的WS流的量不能达到热电材料和/或导体的任一侧的量的情况下，如图2所示的许多尖塔尖部或尖塔可布置以扩大WS流在空间中的量。许多尖塔尖部或尖塔紧密地布置在释放WS的端子上，使得增强因子β的效果大大降低。优化用于尖塔尖部或尖塔的表面的形状和它们的状态表面密度，以便由于WS的场发射等于或大于没有空间的TM和/或导体中的WS流的量而引起的WS流的量尽可能大。以这种方式适当地确定空间的端部之间的适当距离。

由于在操作中宽的温度范围，在没有空间的热电材料和/或导体中的WS流的量等于或大于没有空间的大块TM和/或导体的WS流的量的情况下，或者由于增强因子的作用，通过WS的场致发射的WS流达到尽可能大或者比自然体积TM中的WS流更大，该WS流包括由尖塔尖部或尖塔产生的释放WS的表面密度的情况下，在段落0053中的从1)至4)的设计手段被应用于首先将热电材料和/或导体分成两种热电材料的其它空间。

根据上述结果，如果包括多于一个的电极端子的形状的空间被优化，除了辐射能量损失之外的额外的能量损失可大大地减小，该辐射能量损失是由于尖塔尖部或尖塔的表面与面向尖塔尖部的表面和在每个空间中的面对彼此的其它相对端之间的尖塔尖部的表面的“线索的尖锐角”之间的温差。在产生电力时，当高温部分和低温部分之间的温差窄时，尖塔尖部或尖塔的表面和面向尖塔尖部的表面的“线索的尖锐角”以及尖塔尖部的表面之间的距离将不能像之前那样进行优化。在这种情况下，使用图6中的桥接空间。在冷却系统的操作中，施加外部电压和/或电流作为偶然的要求。当通过上述工艺制造TCE时，即使热电材料的品质因数最高，由其制成的TCE的热电性能也能更加显著地提高。此外，冷却系统的操作是发电的可逆过程，使得即使在冷却系统的操作中，在上述方法中制造的TCE的热电性能也能显著改善。

图12中的热电材料组不必如所示的数字的顺序进行制造，并且所有编号的热电材料不是制造TCE所必需的。此外，类似于由p型和n型的一对不同极性构成的Π型模块，可独立于其他组并行地制造例如Π型模块组的热电材料组，使得Π型模块也可独立地并行制造。另外，在系统中采用以串联、并联、串联和并联的混合组合或与该串联的Π型模块混合并联形式分组的许多Π型模块。作为实施例，表示的是该系统由许多混合型的Π型模块组成，它们以串联、并联或串联和并联的混合组合的Π型模块分组，除了Π型模块之外的由热电材料制成的热电组合模块也可根据本发明的范围以及精神进行设计。

如图4所示，代替改变热电材料40和41之间的相对位置、及移动40或41的端子的位置，如图11所示的WS流不被用于WS的良导体的微观尺寸结构114所分散，该WS设置在热电材料111和形成在热电材料111的端子上的尖塔的表面之间并且其形状很大并且围绕释放WS的表面，并且类似于表面114的图形，并且布置在115上的致动器可帮助平行于释放WS的表面移动。在操作开始时叠加交流电可在空间112或由致动器控制的表面114与端子111上的尖塔表面之间的空间112的两端之间产生高电压，如同空间92用作电容器空间。然后，高电压可用作初始操作的触发器。在许多空间是TCE中的热离子材料的情况下，通过利用CR或CL谐振(或振荡)，目标空间的电压可很高。

关于执行形式的上述解释，例如根据本发明的原理的热电材料的品质因数的最大化、被优化的Π型模块和系统被解释为特别固定的具体实施例(例如热电材料、优化的Π型模块和系统)，其不覆盖所有的实施例，且旨在将范围限制于本发明公开的系统的明确的实施方式。根据上述教导的修改和/或变化是可能的，或者从实现本发明的各种系统实施方式中可获得其导致的修改和变化。显然，根据本发明权利要求的用于实现由具有空间和/或桥接空间的热电材料制成的TCE的方法以及制造Π型模块和/或系统的方法采用多个实施方式形式。

为了避免电荷或热滞留集中，使用工作物质良导体、热电材料、TCE等，还包括由元件Π型模块组成的两对极性不同的TCE、由串联和/或并联的混合形式组成的多个Π型模块或者这些Π型模块的混合，可替代地，在包括除了Π型模块之外的TCE的组合的模块组中，热电材料的实施例包括由这些模块组成的热电材料，其中不发生热滞留集中的变化，这通过级联基于由两组极性不同的热电材料制成的Π型模块来实现。如果在夹在两个不同热源之间的整个级联Π型模块组和在高压下夹入串联电极的不同两组极性的热电材料中不发生均匀且恒定的热流，则必须使用具有或不具有集成模块构件(例如用于接收和散热等的翅片)的压力接触部分，或必须使用具有塞贝克系数的导热材料(例如显示各向异性)。已经描述了用于实现级联Π型模块组的组合作为实施例，然而，显而易见的，还存在除了级联Π型模块组之外的模块组，呈现使用级联Π型的一个具体实施例仅为了说明的目的，则该具体实施例不是对要求保护的本发明的限制。

在本发明的解释中使用的任何类型的致动器、包括级联Π型模块的Π型模块和系统，除非另有说明，否则不能理解为对本发明是最重要的或者必不可少的。

通过将空间放入热电材料，在电力产生中可能主要是阻碍WS流。通过使用热电材料中的热能、电场的能量或外部电磁波等从表面13发射WS。图1中在WS从热电材料11移动到10的情况下，空间中的WS通过热能等在接收WS的“线索的尖锐角”14和具有相应热电材料的WS的尖塔的表面13中退出，或WS在其中隧穿表面13中的势垒进入12，然后移动到接收WS的“线索的尖锐角”14中。根据宏观量子力学，空间表面13处的WS隧道势垒的传输概率随着WS的质量增加而指数型地减小，但是当其在低温度下操作时波动被抑制，使得在低温温度下L_max(T)变得更窄，则具有大质量的WS的TCE变得可行。通常对于半导体中的空穴和电子来说，空穴的质量是电子质量的几倍。因此，当空间12的端部在某种程度上广泛分离时，甚至是p型半导体电子隧穿而不是空穴隧穿。在热电材料11是半导体并且13是金属的情况下，尖塔的端子和用金属覆盖尖塔的保护构件16的13之间的接合更期望是在发电中的欧姆接触和在冷却系统的操作中的肖特基接触。权利要求7使得放置在界面附近的原子和/或分子能够将不同的构件连接到一个供应或吸收热电转换系统中，或通过注入在界面附近构成WS良导体的原子和/或分子以连接不同的构件，可建立界面以匹配发电、制冷、加热操作。

为了改进TCE的ZT，将新的重复段落0053的过程应用于权利要求1和2中的TCE以再次作为材料，进一步改进了所获得的品质因数。多次重复如权利要求8所述的上述过程可产生品质因数接近卡诺效率的准卡诺TCE和/或准卡诺TCM和具有内置准卡诺的热电转换系统。上述过程中的材料只能使用TCE、不同代TM的组合制成的分段代TM、或不同代TM的组合。上述过程在不同代间具有不同的形状上的比例或操作机制。

在上述权利要求1-8中，涉及一种基本系统，其内的两个不同的固定热源温度中的一个与环境大气温度相一致或不一致。然而，在权利要求9中，在权利要求1-8中由第n代TCE和/或第n代准卡诺TCE制造的第i种第n代TCM和/或第i种第n代准卡诺TCM在三个或更多个不同的固定热源温度中的任何两个不同的固定热源温度之间工作，其中任一不同的固定热源温度匹配或不匹配环境大气的温度(在这里，i＝1,2,3,…,自然数，当i最大等于1时，第i种第n代TCE对应于常规的基本系统)。第i种第n代TCM、或由第i种第n代TCE制成的第i种准卡诺TCM、或第i种准卡诺TCM的每个“用于与外部世界系统连接的端板”上的连接器之间的温差，以及电流和/或电压源或外部负载的电极与由第i种第n代TCE或准卡诺TCE制成的第i种第n代TCM的每个“用于与外部世界系统连接的每个端板”上的连接器之间的温差，均有效地用于构建上部种间的优化调制和上部种间的优化系统。有时，环境温度的种类是一个或多于一个，然而在这里，仅仅为了简单起见，环境温度是一个。

附图简要说明

图1为在热电转换元件(TCE)中包含尖塔尖部(包括柱状)的空间。

图2为在TCE中包含具有线索的尖塔的空间。

图3为在TCE中包含具有不同高度的一对尖塔的空间。

图4为在TCE中包含尖塔和围绕尖塔的凹陷的空间。

图5为在TCE中包含许多尖塔和围绕尖塔的凹陷的空间。

图6为具有宽侧面的细柱结构。柱是细结构(a)、中空圆柱体(b)和矩形(c)。

图7为由具有圆柱体(a)和矩形(b)的层状结构的精细结构制成的桥接材料的横截面。

图8为在TCE中包含精细结构的桥接空间。

图9为在TCE中包括多个桥接结构的桥接空间。

图10为TCE中的空间。

图11为在释放WS的端子上和接收WS的表面上具有尖塔的空间，其具有与释放WS的端子类似的形状并且通过致动器控制。

图12为TCE中的分段多级空间。

图13为第i代热电材料和第i-1代TCE之间的关系，其针对来自在第i代热电材料的极小部分中的第i-1代热电材料的串联Π型模块。

具体实施方式

图13示出了关注第i代TCE的一部分的实施例，其由串联Π型模块和具有绝缘体135的空间132制成，串联Π型模块的支腿是具有彼此不同极性的热电材料130和131。通过使用可能由致动器控制的绝缘体，即图13中省略的在绝缘材料135和WS良导体138之间的结构部件之一，调节热电材料139中的热传递的热流，使得发生层流。WS良导体133的热量到达WS良导体138并穿过绝缘体135。空间和在空间中建立的尖塔和/或“线索的尖锐角”等可针对桥接空间中的桥接材料改变。在空间和/或桥接空间中彼此面对的WS良导体之间的辐射能量损耗比Π型模块的辐射能量损耗大得多，在这里需要后者和前者的面积比小得多。空间和/或桥接空间可在通过分割串联Π型模块的支腿产生的许多对端子之间构建，并且可在第i-1代热电材料和WS良导体之间构建。

如果需要，通过使用多个Π型模块来确保电流和电压的量。图13的Π型模块中的WS良导体138从绝缘体135并入热流。在这里，毋庸赘述，已经关注的Π型模块以外的模块是有用的。

附图标记列表

10 具有接收WS的端子的热电材料或WS良导体

11 具有释放WS的端子的热电材料或WS良导体

12 空间

13 释放WS的尖塔尖部的表面

14 接收WS的尖塔尖部

15 包含传导WS的原子和/或分子的涂层或厚构件

16 保护构件

20 具有接收WS的线索的热电材料或WS良导体

21 具有释放WS的端子的热电材料或WS良导体

22 在空间中建立的尖塔和/或“线索的尖锐角”等之间的距离d(d≥L_max(T))

23 释放WS的尖塔尖部的表面

24 接收WS的线索的表面

25 涂层或厚构件

30 具有接收WS的端子的热电材料或WS良导体

31 具有释放WS的端子的热电材料或WS良导体

32 在空间中建立的尖塔和/或“线索的尖锐角”等之间的距离d(d≥L_max(T))

33 保护构件

34，35 涂层或厚构件

40 具有接收WS的端子的热电材料或WS良导体

41 具有释放WS的端子的热电材料或WS良导体

42 空间

43 释放WS的尖塔的表面

44 接收WS的凹面端子的表面

50，51，52 尖塔结构

80 热电材料或WS良导体

81 热电材料或WS良导体

82 空间

83 桥接材料良导电WS

84，85 保护构件

90 具有接收WS的端子的热电材料或WS良导体

91 具有释放WS的端子的热电材料或WS良导体

92 空间

93 多个桥接材料良导电WS

100 具有接收WS的端子的热电材料或WS良导体

101 具有释放WS的端子的热电材料或WS良导体

102 空间

103 辐射源

105 包含传导WS的原子和/或分子的涂层或厚构件

106 保护构件

110，111 热电材料或WS良导体

112 空间

113 端子表面和具有与尖塔尖部相似形状的表面之间的空间

114 具有与尖塔尖部相似形状的表面

115 保持端子表面和具有相似形状的表面之间的宽度且可引导WS的部件

120，121，122 热电材料或WS良导体的元件

130，131 第i-1代热电材料

132 空间

133，134 WS良导体

135 绝缘体

136 热电材料或WS良导体

137 保护构件或厚构件

138 WS良导体

139 第i代热电转换元件

Claims

1.一种热电转换元件，其特征在于：

在夹持或接触空间(空间)的构件中的至少一个构件是热电材料(TM)的情况下，其端部穿过空间面向TM的构件是相同的TM、不同的TM、“用于连接到外部系统的端板”、或与高、低储热器或其它温度的热和/或类似物接触的结构材料，所有这些构件都覆盖有绝缘体、绝热材料、负责外部冲击减轻的构件部分、辐射屏蔽和/或类似物，且与诸如环境温度的至少两个不同热源接触；“距离”(即，L_max(T))取决于构成材料，以便在整个空间阻挡彼此面对且具有不同的绝对温度T的表面间的热流，在测量时，通过考虑由各个界面构成材料制成的原子力显微镜的构造中的热噪声而面向热流动方向的界面间隔被定义为等于或长于在界面间隔内彼此面对的原子之间的原子力的距离，当在整个空间彼此面对且具有不同的绝对温度T的表面间的距离在界面材料端子中的一者等于或大于L_max(T)时，切断热流，所述界面材料端子在空间中面向WS流动方向不一定彼此平行；尖塔或尖部是线圈形状或线圈的尖塔的支腿可根据界面材料端子的任何形状而变厚，在以上述相同的方式面向界面材料端子的另一界面材料端子上，尖塔和/或“线索的尖锐角”可以是粗支腿，以及在一对，其中界面材料-端子中的一者与作为尖塔和/或“线索的尖锐角”的凸端面的另一者之间的距离等于或大于L_max(T)，或更多对存在于空间的情况下，由于热电材料本身与空间相邻，电动势作用在空间上，而通过空间的WS流的量不会从与空间接触的相邻TM内的量变化，因此作为端点之间的距离的L_max(T)取决于相邻TM、成对的数量为一个或多个的具有空间的TM、或者更多空间，面向结构部件的“用于与外部世界的系统连接的端板”、高低热源和/或其它温度的热都是在环境大气的热浴温度中一起形成，一起定义为在TM或TCE内部的空间中的热电转换元件(TCE)，所述结构部件是绝缘体、绝热材料、外部冲击减缓、辐射屏蔽等，

(i)WS工作的极性是正电荷或负电荷，或

(ii)通过TCE外部的电场、磁场等用于正负电荷的极性的WS工作，由此引起TCE中进一步的温度梯度、WS浓度梯度，WS速度梯度等，通过所引起的梯度，传统WS、量子WS或宏观量子WS在不同温度下变得主要显著，但是在将电流和/或电压从“用于连接外部世界的系统的端板”施加或者不施加到包含所述WS的TCE的情况下，(A)WS存在于空间A：各个尖塔等的电磁场，或B：与由WS相互不同极性或相同极性的相邻两个尖塔的WS流形成的平面相垂直的磁场，或C：上述A和B同时可能驱动WS，除了上述(A)，另外垂直于与空间相邻的TM的(B)磁场可控制WS流动，在WS工作通过在“尖塔尖部(或线索)或尖塔”的表面与其面对端子或线索之间或在相对线索之间的空间的端子间距离的情况下，确定在某些TM中的传统系统或在其它TM中的量子系统的WS工作的温度限制，并且以端子间距离彼此分开的面层材料中的在宏观量子系统中工作的WS中的温度限制也在每个材料中进行确定，无量纲品质因数T的值由在宽温度限制或全温度限制内使用的TM所确定，该温度限制是从传统系统的温度限制到量子系统的温度限制或到量子系统和宏观量子系统的温度限制，所述宽温度或全温度限制分离成一些用于每个分段的热电材料的温度限制，其中各个热电材料处于ZT的最高值，在将许多分段热电材料组合成一个的情况下，用于热电材料的ZT值在改进，在将许多热电材料组合成一个作为具有空间的TCE的情况下，用于分段热电材料的ZT值与不具有空间的分段热电材料的ZT值相比进一步改进，并且此外由于使用中的热应力和/或物质、焊接材料等的扩散混合，空间使得损坏减少，由于WS通过由TM等形成的空间中的以上描述的相对表面，可利用发射和/或吸收热能、平行于WS流流动的方向的WS动量分布和/或在相对表面中的自旋分布的变化。

2.一种热电转换元件，其特征在于：

在夹持或接触空间的构件中的至少一个构件是TM，并且TM本身的电动势小于根据权利要求1的TM的情况下，因为由TM制成的空间中的间隔等于或大于由根据权利要求1的TM所确定的L_max(T)，在空间中的热流被阻挡，在这样的温度范围内，其中在空间中相对的TM中的WS中的至少一个在传统WS或量子WS中起作用，并且为了通过空间的WS流的量等于或大于与空间接触的TM的量，在界面中的距离在L_max(T)内或大于WS流的方向上的距离，通过跨越空间桥接有桥接材料所构造的桥接空间可根据端子的表面的任何形状而变厚，桥接材料的每个支腿与端子连接，具有一个或多个桥接材料的桥接空间可抑制热流动，这是由于在桥接材料之间的界面和端子的表面以及桥接材料中的晶格振动而产生的，使用其长度长于L_max(T)的桥接材料，通过桥接空间的WS流的量可远大于桥接空间数量为一个或多个的空间TM的量，面向结构部件的“用于连接外部世界的系统的端板”、高低热源和/或其它温度的热一起形成在环境大气的热浴温度中并定义为如权利要求1所述的热电转换元件(TCE)，结构部件是绝缘体、绝热材料、外部冲击缓、辐射屏蔽等，在桥接材料附近施加电场和磁场以代替在权利要求1中所述的(A)和(B)的尖塔等，并且TCE还包括零个或多于一个如权利要求1所述的空间，如权利要求1所述，TCE的品质因数大于TM本身的品质因数，没有桥接空间的分段热电材料和由于使用中的热应力和/或混合了物质、焊料材料等的扩散的损坏减少，由于WS通过上述桥接材料描述的空间(即，桥接空间)中的相对表面，可利用发射和/或吸收热能、平行于WS流流动方向的WS动量和/或在相对表面中的自旋分布的变化。

3.辐射和电磁波可照射到尖塔的凸出端表面中的至少一个表面上，从这里WS流入端子和其相对的端子中，并且尖塔的支腿直立在其上、在如权利要求1所述的TCE中的至少一个空间中；或者辐射和电磁波可照射到在如权利要求2所述的在桥接空间中的至少一个中的桥接材料的支腿和向TCE中的支腿供应WS的端子中的至少一个上，以便切断通过辐射源和/或电磁波源的热流，辐射源和/或电磁波源配置有一个位置且也用作如权利要求1和2中所述的(A)和(B)中的驱动和控制，辐射源和/或电磁波源与两个被照射的端子等和没有被照射端子之间的距离的大于L_max(T)，因为与配备有射线源的与空间和/或桥接空间接触的TM中的WS流的量等于或大于没有射线源的量，TCE的特征在于，与没有设计射线源的情况相比增加WS流的量以降低热导率。

4.在连接到权利要求1所述的空间中的尖塔的支腿的两个端子、和面对端子的界面和/或尖塔和/或尖塔和/或“线索的尖锐角”的凸端面的整个表面，以及支腿直立在权利要求2的桥接空间中的端子上的面向桥接材料的端子由包括WS良导体的原子和/或分子的涂层和/或厚构件所覆盖的情况下，以及在涂层和/或厚构件的表面和与前表面和/或尖塔的凸端面相对的表面之间的距离等于或宽于L_max(T)的情况下，由于如权利要求1和2所示(A)和(B)中的驱动和控制，或者权利要求3中的辐射和电磁波的照射，防止在空间或桥接空间中的局部电荷和/或WS的累积，导致TCE的特征在于，包括在空间或桥接空间中的涂层和/厚构件。

5.通过辐射和电磁场照射对空间中的尖塔等，权利要求1、2和3中的桥接材料的表面和桥接材料彼此连接的相对端子以及权利要求4中的涂层和/或厚构件的辐照损害，通过使用保护构件不会发生WS激发和/或对尖顶等和/或桥接材料的表面和/或端子上的涂层和/或涂层的厚度的损坏，其构成原子之间的力比未涂覆或不合并表面的力更强，或其中协作运动吸收保护构件表面的振动，保护构件从该表面在L_max(T)中或大于L_max(T)中接合到面对的端子，TCE的特征在于，WS流过在权利要求1和2中的尖塔等和/或大量WS中的桥接材料，而没有权利要求1和2的激发和辐照损伤，或没有用于权利要求4的涂层和/厚构件的损伤，由于防止了表面上的热集中和每单位时间获得的能量的量，减少了劣化。

6.具有可移动部分的分段的TCE、具有内置系统的分段的TCM和TCS的特征在于比不具有可移动部分的分段的TCE、具有内置系统的分段的TCM和TCS更容易地调整每个操作：

在权利要求1的TCE中的空间中考虑具有或不具有权利要求3、4和5中的装置，通过使用TCE，其中易于控制的可移动部分如权利要求4所述放置L_max(T)或更宽，在空间中移动的可移动部分可改变欧姆接触和肖特基接触之间的TCE，可使得在TCE中两个彼此相邻量子WS之间产生隧道，并且两个相邻宏观量子WS阶参数的重叠度改变，包括TCE中的零，不仅只有窄的温度范围而且还有宽的温度范围，当然，发电直到大规模、冷却、对应于加热以及发电、冷却和加热的至少两种操作，可移动部分的运动使TCE可能工作，此外，在宽温度范围内，由TCE制成的分段式TCE配备有如在权利要求1、3、4和5中所述的TCE的在空间中和/或TCE的“用于与外部世界的系统连接的端板”附近的可移动部分，其包括由TCE和/或Π型模块和/或除了Π型模块之外的其它模块等制成的集成模块的特征，减少了例如绝缘体、绝热材料、外部冲击缓和、辐射屏蔽等构件材料的使用，以及具有容易制造具有内置TCS的另一特征，具有可移动部分的分段TCM和具有内置系统的分段的TCM和TCS的特征在于比不具有可移动部分的分段TCM和具有内置系统的分段的TCM和TCS更容易调整每个操作。

7.如权利要求1、3、4和5所述的TCE和/或内置的权利要求6的TCM和TCS，其特征如下：

在如权利要求1所述的TCE中的尖塔的凸起端面的整个表面上以及在界面和/或尖塔和/或尖塔的凸端面和/或与凸端相对的“线索的尖锐角”的整个表面上，或者在“用于与外部世界的系统连接的端板”的整个表面上以及TCE的WS良导体的结合表面或者在Π型模块和具有内置面向“用于与外部世界的系统连接的端板”的系统的模块的结合表面的任一的整个表面上，以及尖塔的凸端面的整个表面和“用于与外部世界的系统连接的端板”的整个表面，以及界面和/或尖塔和/或尖塔的凸起端面和/或与凸端相对的“线索的尖锐角”，以及用于TCE的WS良导体的结合表面或Π型模块和具有内置的模块的的结合表面中的任一的整个表面，分别定义为前者和后者，向前者或后者或前者和后者的两者提供或吸收WS，或者取决于吸收响应于工作温度范围以及在与后者相连接的前者的结合表面附近的表面振动的原子和/或分子等的浓度，因为前者和/或后者上的连接器构造是为了欧姆结或肖特基结之间的WS浓度的量，量子WS隧道效应和宏观量子WS阶参数的重叠以使得各个结独立地处于最佳WS浓度，连接器也构造在任意两个连接器之间的距离中，其中不会发生干扰，因为这些连接器彼此分离，或者权利要求5所述的涂层和/或厚构件消除了干扰，

(i)在表面上构造连接器，例如尖塔的凸起端面和/或面向尖塔的凸起端面的后者的“线索的尖锐角”，并且在用于前者的尖塔的凸端面上，权利要求1中的(A)-a的装置或者权利要求6中的可移动部分响应于工作温度范围，连接器特征在于，在欧姆结或肖特基结的范围内，容易调整量子WS隧道效应和宏观量子WS阶参数的重叠。

(ii)TCE和/或Π型模块和/或具有内置系统的上部模块，其中在后者的“用于与外部世界的系统连接的端板”上构造了多个连接器，并且分别与WS良导体的连接表面上的每个连接器连接，通过使用重组接线来匹配相应的发电和操作而用于发电、冷却和加热操作，权利要求1、3、4和5中的TCE和/或权利要求6中具有内置系统的TCM和TCS具有与相应的发电和操作匹配的重组接线。

8.获得第n代TCE和/或具有内置系统的第n代TCM和第n代热电材料和/或第n代TCS，或者此外在无限次的操作之后，效率接近卡诺效率的准卡诺TCE或准卡诺TCM和/或具有内置系统的准卡诺TCS的特征如下：

为了改进权利要求1、2、3、4和5中的TCE的品质因数和/或权利要求6和7中的TCM的品质因数，权利要求1和2中不含TCE的热电材料(TM)且TCM和TCE中的TM的品质因数分别定义为第0代TM和Z₀T：0-a)权利要求1中的TCE或权利要求2中的TCE，因为TCE中的TM的电动势小；0-b)权利要求3、4和5中的TCE和/或权利要求6和7中的TCM分别定义为第0代TCE和/或第0代TCM；0-c)由多个第0代TCE和/或第0代TCM和WS良导体、绝缘体、第0代TM等制成的聚集物定义为第1代热电材料(如背景技术中所定义的)，然后第1代热电材料的品质因数将被取代为Z₁T，此外通过再次更多地重复上述0-a)～0-c)的过程获得Z₁T＞ZT；1-a)权利要求1中的第1代TCE或权利要求2中的第1代TCE，因为TCE中的热电材料的电动势小；1-b)权利要求3、4和5中的TCE和/或权利要求6和7中的TCM分别定义为第1代TCE和/或第1代TCM；1-c)由多个第1代TCE和/或第1代TCM和WS良导体、绝缘体、第0代热电材料等制成的聚集物定义为第2代热电材料，然后用于第2代热电材料的ZT被取代为Z₂T，之后获得Z₂T＞Z₁T；并且在将该过程重复为3,…,n次之后获得第n代TCE和/或第n代TCM和具有内置系统第n代热电材料和/或第n代TCS，或者此外在无限次的程序之后，获得效率接近卡诺效率的准卡诺TCE或准卡诺TCM和/或具有内置系统的准卡诺TCS。

9.由作为权利要求1、2、3、4、5、7和8中基本系统的第i种第n代TCE和/或准卡诺TCE构成的第i种第n代TCM和/或准卡诺第i种TCM使用电流和/或电压源或外部负载的电极与“用于连接到外部世界的系统的端板”上的连接器之间的温差，以及第i种第n优化代TCM和/或准卡诺优化的第i种TCM和优化的具有内置系统的TMS，其由第i种第n优化代的TCE和/或准卡诺第i种优化的TCE组成，其特征如下：

在上述权利要求1-8中，处理基本系统，其中两个不同的固定热源温度中的一个与环境大气温度相一致或不一致，但是，在这里，在这种情况下，第i种第n代TCM和/或准卡诺第i种TCM由权利要求1-8中的第i种第n代TCE和/或准卡诺第i种TCE制成，其在三个或更多个不同的固定热源温度中的任何两个不同的固定热源温度之间工作，此外，两个不同的固定热源温度中的一个与环境大气的温度匹配或不匹配(这里，i＝1,2,3,…,自然数，当i的最大值等于1时，第1种第n代TCE对应于包括权利要求1和2的常规基本系统)，在第i种的高阶调制的过程中，并且在用于在该过程中连接第i种第n代的其它TCE和/或TCM的“用于连接外部世界的系统的端板”的温度全部相同，并且不同于第i种第n代TCM或准卡诺第i种TCM的“用于连接外部世界的系统的端板”的一个或多个温度的情况下，其“用于连接外部世界的系统的端板”与任何两个不同的上述固定热源通过绝缘体接触和/或不与任何两个上述固定热源的一个或多个非接触在至少一个或多个温度的不同温度下，在由多个第i种第n代TCE和/或准卡诺第i种TCM制成的第i种第n代TCM和/或第i种准卡诺TCM的每个“用于连接外部世界的系统的端板”上的连接器定义为种间模块的高阶间的连接器，并且由第i’种第n代TCE或准卡诺第i’种第n代TCE构成在第i’种第n代TCM或准卡诺第i’种第n代TCM的每个“用于连接外部世界的系统的端板”上的其它连接器定义为第i种和第i’种之间调制连接器的高阶，其具有在不同于第i种中连接器温度的温度下具有与第i种不同的第i’种，分别对于连接器、其它连接器和获得的高阶连接器来说，在第i种和第i’种的连接器和其它连接器之间的调制如上述(i)中描述的，在具有第i种第n代TCE和/或第i种第n代TCM和/或准卡诺第i种TCM的“用于连接外部世界的系统的端板”上的连接器是用于电流和/或电压源和/或外部负载的连接器的情况下，并且在连接器的温度等于环境大气温度中的一个或不等于环境大气温度中的任何一个的情况下，其中放置电流和/或电压源或外部负载的电极，在热浴等中的某些不同的温度、由作为权利要求1、2、3、4、5、7和8中的基本系统的第i种第n代TCE和/或准卡诺第i种TCE组成的第i种第n代TCM和/或准卡诺第i种TCM使用电流和/或电压源或外部负载的电极与“用于连接外部世界的系统的端板”上的连接器之间的温度差，并且第i种第n优化代TCM和/或准卡诺优化的第i种TCM和具有内置系统的优化的TMS由第i种第n优化代的TCE和/或准卡诺第i种优化的TCE组成。