CN107403851A - 一种新型光伏温差发电一体化芯片及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种新型光伏温差发电一体化芯片，包括：开有通孔的绝缘绝热基板/薄膜；设于所述通孔內缘及基板/薄膜表面上与通孔內缘的部分相连的基层热电光伏材料；逐层叠加于所述基层热电光伏材料位于基板/薄膜表面部分上的N层热电光伏材料；其中，相邻的两层热电光伏材料为具有数值相近符号相反塞贝克系数的P型或N型半导体，并于交界处形成PN结，位于不同通孔处且基层热电光伏材料分别为P型或N型半导体的两组材料构成一对热电偶对；透明电极，连接至少一对热电偶对的顶层热电光伏材料；输出电极，连接由所述透明电极连接的热电偶对的基层热电光伏材料，构成导电回路。
Description
技术领域
本发明涉及半导体器件领域，具体涉及一种新型光伏温差发电一体化芯片及其制造方法。
背景技术
半导体制冷片，也叫热电制冷片，是一种热泵。它的优点是没有滑动部件，应用在一些空间受到限制，可靠性要求高，无制冷剂污染的场合。利用半导体材料的Peltier效应，当直流电通过两种不同半导体材料串联成的电偶时，在电偶的两端即可分别吸收热量和放出热量，可以实现制冷的目的；反之两面有温差则能发电。
现有的光伏发电芯片，其结构通常是由许多单一的N型PN结和单一的P 型PN结半导体之颗粒互相排列而成，而N/P结之间以一般的导体相连接而成一完整回路，通常是铜、镍或其他金属导体。此种类型的光伏发电芯片，存在如下不足：一是制造工序复杂、成本高；二是受到结构的限制，太阳光中的红外线热能部分无法有效利用，发电效率很难进一步提升；三是受到材料本身导热系数的影响，无法使用硅等半导体材料做成既能进行太阳能发电又能进行温差发电的装置。通常的做法是在太阳能板背后加装温差发电片回收热能。
发明内容
本发明解决的技术问题在于克服现有太阳能发电装置的不足，提出一种光伏温差相结合的一体化芯片。
为了解决上述问题，本发明采用了如下技术方案：
一种新型光伏温差发电一体化芯片，包括：
开有通孔的绝缘绝热基板/薄膜；
设于所述通孔內缘以及基板/薄膜表面上与通孔內缘的部分相连的基层热电光伏材料；
逐层叠加于所述基层热电光伏材料上的N层热电光伏材料，其中，N≥1，且所述N层热电光伏材料仅叠加于基层热电光伏材料位于基板/薄膜表面的部分上，相邻的两层热电光伏材料为具有数值相近符号相反塞贝克系数的P型或N 型半导体热电光伏材料，并于交界处形成PN结，位于不同通孔处且PN结导电方向相反的任意两组材料构成一对热电偶对；
透明电极，所述透明电极与至少一对热电偶对的最顶层热电光伏材料通过接触点连接；
输出电极，所述输出电极连接由所述透明电极连接的热电偶对的基层热电光伏材料，构成导电回路。
进一步的，所述透明电极和输出电极连接多个PN结热电偶对构成并联或串联的回路。
进一步的，所述透明电极通过透明导电胶水或导电银胶与所述热电偶对的最顶层热电光伏材料粘接并烧结，构成接触点。
可选的，所述P型或N型半导体热电光伏材料包括但不限于砷化镓，硅。
可选的，所述绝缘绝热基板/薄膜的材料包括但不限于绝热陶瓷、PEEK塑料或真空玻璃微珠改性塑料；所述透明电极的材料包括但不限于氧化铟锡、铝掺杂的氧化锌或石墨烯。
进一步的，所述绝缘绝热基板/薄膜上的基层热电光伏材料与基板之间还设有一层导电金属材料，所述导电金属材料所在的区域与基层热电光伏材料所在的区域相同。
本发明还提供了若干种上述的新型光伏温差发电一体化芯片的制造方法。其中，第一种制造方法包括如下步骤：
S1、制作开有通孔的绝缘绝热基板并进行预处理；
S2、在预处理后的基板的两侧设置第一种掩膜版，镀覆基层P型/N型半导体热电光伏材料，之后在基层半导体热电光伏材料位于基板表面的部分上扩散磷或硼形成N个叠加的N/P型PN结，N≥1；
之后，在基板的两侧设置第二种掩膜版，并镀覆基层N型/P型半导体热电光伏材料，之后在基层半导体热电光伏材料位于基板表面的部分上扩散硼或磷硼形成N个叠加的P/N型PN结，N≥1；
其中，所述第一种掩膜版和第二种掩膜版上的开孔区域对应于基板上的通孔，且两者的开孔区域互不重合；
S3、在基板的两侧安装或焊接透明电极和输出电极，连接基板上的多个热电偶对构成并联或串联的回路。
第二种制造方法包括如下步骤：
S1、制作开有通孔的绝缘绝热基板并进行预处理；
S2、在预处理后的薄膜上镀覆基层N型或P型半导体热电光伏材料，再在基层半导体热电光伏材料位于基板表面的部分上扩散硼或磷硼形成N个叠加的 P/N型或N/P型PN结，N≥1；
S3、将镀好热电光伏材料的绝缘绝热薄膜分割成条/块，每条/块上含有若干个镀覆有多层热电光伏材料的通孔；然后将分割后的条/块重新组合，并通过透明电极和输出电极，构成由多个热电偶对并联或串联的回路。
第三种制造方法包括如下步骤：
S1、制作开有通孔的绝缘绝热基板并进行预处理；
S2、在预处理后的基板的两侧设置第一种掩膜版，镀覆基层P型/N型半导体热电光伏材料，之后在基层半导体热电光伏材料位于基板表面的部分上再逐层镀覆N层N型/P型半导体热电光伏材料，N≥1，使得相邻两层材料分别形成 P型PN结或N型PN结；
之后，在基板的两侧设置第二种掩膜版，并镀覆基层N型/P型半导体热电光伏材料，之后在基层半导体热电光伏材料位于基板表面的部分上再逐层镀覆N 层P型/N型半导体热电光伏材料，N≥1，使得相邻两层材料分别形成N型PN 结和P型PN结；
其中，所述第一种掩膜版和第二种掩膜版上的开孔区域对应于基板上的通孔，且两者的开孔区域互不重合；
S3、在基板的两侧安装或焊接透明电极和输出电极，连接基板上的多个热电偶对构成并联或串联的回路。
第四种制作方法包括如下步骤：
S1、制作开有通孔的绝缘绝热基板并进行预处理；
S2、在预处理后的薄膜上镀覆半导体热电光伏材料，其中，每块薄膜上镀覆单一的基层N型或P型半导体热电光伏材料，再在基层半导体热电光伏材料位于基板表面的部分上逐层镀覆P型或N型热电光伏材料，使得相邻两层材料分别形成N型PN结或P型PN结；
S3、将镀好热电光伏材料的绝缘绝热薄膜分割成条/块，每条/块上含有若干个镀覆有多层热电光伏材料的通孔；然后将分割后的条/块重新组合，并通过透明电极和输出电极，构成由多个热电偶对并联或串联的回路。
本发明的新型光伏温差发电一体化芯片，能够除了有效利用太阳光中的可见光外还能利用红外线热能，提高了太阳能发电的效率。同时，克服了材料本身导热系数的影响，可以使用硅等半导体材料做成既能进行太阳能发电又能进行温差发电的装置，大大扩展了硅等半导体材料的应用范围。同时温差发电和光伏发电不再受限于材料本身，方便协调导热与导电之间的矛盾。另一方面，当施加外部电压时，本发明的一体化芯片还可以作为半导体制冷芯片或LED光源使用，同样具有良好的制冷和发光效果。其制冷和发光原理与现有的半导体制冷和LED发光原理相同，但由于其特定结构，可具有更好的制冷和发光效果。
本发明的新型光伏温差发电一体化芯片，制造工序简单、成本底，综合了光伏发电、温差发电、制冷和发光多种功能，可广泛应用于太阳能发电装置、制冷设备或LED光源中，具有良好的应用价值和商业前景。
附图说明
图1为本发明的新型光伏温差发电一体化芯片片实施例的结构示意简图。
图2为本发明的新型光伏温差发电一体化芯片片另一种实施例的结构示意简图。
图3为本发明的新型光伏温差发电一体化芯片片制造方法中基板的示意图。
图4为本发明的新型光伏温差发电一体化芯片片制造方法中掩膜版的示意图。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
本发明提供了一种新型光伏温差发电一体化芯片，如图1所示为其基本组成单元的结构示意简图。
如图所示，该基本组成单元包括：基板1，该基板1为绝缘绝热基板或薄膜，其上开设有通孔10a和10b。在通孔10a的內缘及靠近通孔的基板表面上，设置有基层P型半导体热电光伏材料2a；在P型半导体热电光伏材料2a位于基板表面的部分上进一步叠置有N型半导体热电光伏材料3a。两层半导体热电光伏材料于交界处形成第一个PN结101。
与之类似的，在通孔10b的內缘及靠近通孔的基板表面上，设置有基层N 型半导体热电光伏材料2b；在N型半导体热电光伏材料2b位于基板表面的部分上进一步叠置有P型半导体热电光伏材料3b。两层半导体热电光伏材料于交界处形成第二个PN结102。
如此，两个通孔处的两组半导体热电光伏材料形成了两个导电方向不同的 PN结，从而构成了一对热电偶对。
还包括透明电极4和输出电极5a、5b。其中，透明电极4分别通过接触点 201和202连接顶层的N型半导体热电光伏材料3a和P型半导体热电光伏材料 3b。另一面，输出电极5a连接基层P型半导体热电光伏材料2a，输出电极5b 连接基层N型半导体热电光伏材料2b，从而将上述的热电偶对构成一个导电回路，成为本发明中新型光伏温差发电一体化芯片的基本组成单元。
采用上述的开孔结构，能够将热电偶中热电光伏材料本身的热阻转移给基板绝热材料，提高了ZT值，从而提高了热电偶的发电效率。同时，由于所用热电材料不受限，并能通过设计调节导电率而提高芯片的塞贝克系数和输出功率。上述结构可将热电偶与PN结光电效应结合，PN结进行光伏发电，接触点处进行温差发电，从而达到全波段接收太阳光发电的目的，大大提供了光伏发电的效率，为光伏产业指明了一条光明的发展道路。另一方面，PN结可以作为光致发电元件也可以作电致发光元件，上述的结构在施加外部电压时还可作为LED 发光单元和半导体制冷单元，综合了光伏发电、温差发电、LED发光和半导体制冷四种功能，应用范围广泛。
如图2所示，作为本发明的进一步改进，在基层半导体热电光伏材料2a、 2b上逐层镀覆有多层半导体热电光伏材料，包括依次镀覆于基层P型半导体热电光伏材料2a上的N型半导体热电光伏材料3a、P型半导体热电光伏材料4a、 N型半导体热电光伏材料5a，以及依次镀覆于基层N型半导体热电光伏材料2b 上的P型半导体热电光伏材料3b、N型半导体热电光伏材料4b、P型半导体热电光伏材料5b，从而构成多个PN结101/102/103/104/105/106，结合接触点 201/202，进一步提高了光伏发电的效率。
上述实施例中的P型或N型半导体热电光伏材料可以选用砷化镓，硅等半导体材料。绝缘绝热基板/薄膜可以选用绝热陶瓷、PEEK塑料或真空玻璃微珠改性塑料。透明电极可以选用氧化铟锡、铝掺杂的氧化锌或石墨烯等材料，另外，透明电极只需要向光面透明即可，背面可以透明也可以不透明。显而易见的，上述的材料也可以选用其它具有类似性质的材料，此处不作具体限制。
同时，作为优选实施方案，透明电极通过透明导电胶水或导电银胶与上述热电偶对的最顶层热电光伏材料粘接并烧结，构成接触点。
上述的实施例仅仅是本发明的新型光伏温差发电一体化芯片的基本组成单元，显而易见的，实际制造时，芯片由上述的多个基本组成单元经透明电极和输出电极串联或并联，构成导电回路进行光伏和温差发电，以得到可实际使用的电流。具体的连接方式在现有的光伏发电或半导体制冷芯片中已有较为成熟的实施例，在此不作详细说明。
作为进一步的优选实施方案，在镀基层半导体热电光伏材料之前，可先在基板上镀覆一层导电金属材料，该导电金属材料镀覆的区域与基层热电光伏材料镀覆的区域相同，以进一步提高基层材料的导电率，并更好地将热能传导给基板。
本发明的新型光伏温差发电一体化芯片，其另一个巨大的优点在于制造工序简单、成本底，因而具有良好的应用价值和商业前景。下面提供几种制造方法。
第一种制造方法包括如下步骤：
首先，制作开有通孔的绝缘绝热基板并进行预处理，包括倒边、去毛刺等处理，得到如图3所示的基板。
之后，在预处理后的基板的两侧设置第一种掩膜版，镀覆基层P型/N型半导体热电光伏材料，之后在基层半导体热电光伏材料位于基板表面的部分上扩散磷或硼形成N/P型PN结；
接下来，在基板的两侧设置第二种掩膜版，并镀覆基层N型/P型半导体热电光伏材料，之后在基层半导体热电光伏材料位于基板表面的部分上扩散硼或磷硼形成P/N型PN结；
其中，第一种掩膜版和第二种掩膜版上的开孔区域对应于基板上的通孔，且两者的开孔区域互不重合；
最后，在基板的两侧安装或焊接透明电极和输出电极，连接基板上的多个热电偶对构成并联或串联的回路；透明电极可通过透明导电胶水或导电银胶与热电偶对的最顶层热电光伏材料粘接并烧结，构成接触点；之后进行封装、固化，即可制作出光伏温差发电一体化芯片。
第二种制造方法包括如下步骤：
首先，制作开有通孔的绝缘绝热基板并进行预处理，包括倒边、去毛刺等处理，得到如图3所示的基板。
之后，在预处理后的薄膜上镀覆基层N型或P型半导体热电光伏材料，再在基层半导体热电光伏材料位于基板表面的部分上扩散硼或磷硼形成P/N型或 N/P型PN结；
接下来，将镀好热电光伏材料的绝缘绝热薄膜分割成条/块，每条/块上含有若干个镀覆有多层热电光伏材料的通孔；
最后，将分割后的条/块重新组合，并通过透明电极和输出电极，构成由多个热电偶对并联或串联的回路；之后进行封装、固化，制作出光伏温差发电一体化芯片。
第三种制造方法包括如下步骤：
首先，绝缘绝热基板上打孔并进行预处理，包括倒边、去毛刺等处理，得到如图3所示的基板。
之后，在预处理后的基板的两侧设置第一种掩膜版。该掩膜版可以是不锈钢或其它材料制成的薄板，其面积和基板面积接近，并在其上设有位置和基板上的通孔对应的开孔，如图4所示。掩膜版上开孔的设置，可以是每个开孔均对应一个基板上的通孔，也可以是一个开孔对应基板上两个或两个以上的通孔，从而可使相邻的通孔处的半导体热电光伏材料相连，以进一步方便后续的电极连接；
接下来，在设置了掩膜版的基板上镀覆基层P型/N型半导体热电光伏材料，具体的镀覆方式可采用磁控溅射或其它方式；之后在基层半导体热电光伏材料位于基板表面的部分上再逐层镀覆N层N型/P型半导体热电光伏材料，N≥1，相邻两层材料分别形成P型PN结或N型PN结；
之后，在基板的两侧设置第二种掩膜版，并镀覆基层N型/P型半导体热电光伏材料，之后在基层半导体热电光伏材料位于基板表面的部分上再逐层镀覆N 层P型/N型半导体热电光伏材料，N≥1，使得相邻两层材料分别形成N型PN 结和P型PN结；此处，第二种掩膜版上的开孔区域对应于基板上的通孔，且与第一种掩膜版上的开孔区域相对应，两者的开孔区域互不重合，但相互匹配，使得基板上相邻的通孔处形成具有不同导电方向PN结的热电偶对；
最后，在基板的两侧安装或焊接透明电极和输出电极，连接基板上的多个热电偶对构成并联或串联的回路；具体的，透明电极可通过透明导电胶水或导电银胶与热电偶对的最顶层热电光伏材料粘接并烧结，构成接触点；之后进行封装、固化，即可制作出光伏温差发电一体化芯片。
第四种制造方法包括如下步骤：
首先，也是在绝缘绝热薄膜上开孔并进行预处理；
之后，在预处理后的薄膜上镀覆半导体热电光伏材料，其中，每块薄膜上镀覆单一的基层N型或P型半导体热电光伏材料，再在基层半导体热电光伏材料位于基板表面的部分上逐层镀覆P型或N型热电光伏材料，使得相邻两层材料分别形成N型PN结或P型PN结，并得到两种PN结导电方向不同的基板；
之后，将上述镀好热电光伏材料的基板分割成条/块状，每条/块上含有若干个镀覆有多层热电光伏材料的通孔；然后将分割后的两种基板的条/块重新组合，使得相邻条/块上通孔处的热电光伏材料组成热电偶对；
最后，通过透明电极和输出电极连接上述热电偶对，构成由多个热电偶对并联或串联的回路；之后进行封装、固化，制作出光伏温差发电一体化芯片。
作为进一步的优选实施方案，在上述方法中，可在绝缘绝热基板上镀覆基层半导体光伏材料前先镀覆一层导电材料，以获得更好的性能。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种新型光伏温差发电一体化芯片，其特征在于，包括：
开有通孔的绝缘绝热基板/薄膜；
设于所述通孔內缘以及基板/薄膜表面上与通孔內缘的部分相连的基层热电光伏材料；
逐层叠加于所述基层热电光伏材料上的N层热电光伏材料，其中，N≥1，且所述N层热电光伏材料仅叠加于基层热电光伏材料位于基板/薄膜表面的部分上，相邻的两层热电光伏材料为具有数值相近符号相反塞贝克系数的P型或N型半导体热电光伏材料，并于交界处形成PN结，位于不同通孔处且PN结导电方向相反的任意两组材料构成一对热电偶对；
透明电极，所述透明电极与至少一对热电偶对的最顶层热电光伏材料通过接触点连接；
输出电极，所述输出电极连接由所述透明电极连接的热电偶对的基层热电光伏材料，构成导电回路。
2.如权利要求1所述的新型光伏温差发电一体化芯片，其特征在于：所述透明电极和输出电极连接多个PN结热电偶对构成并联或串联的回路。
3.如权利要求2所述的新型光伏温差发电一体化芯片，其特征在于：所述透明电极通过透明导电胶水或导电银胶与所述热电偶对的最顶层热电光伏材料粘接并烧结，构成接触点。
4.如权利要求1-3任一项所述的新型光伏温差发电一体化芯片，其特征在于：所述P型或N型半导体热电光伏材料包括但不限于砷化镓，硅。
5.如权利要求4所述的新型光伏温差发电一体化芯片，其特征在于：所述绝缘绝热基板/薄膜的材料包括但不限于绝热陶瓷、PEEK塑料或真空玻璃微珠改性塑料；所述透明电极的材料包括但不限于氧化铟锡、铝掺杂的氧化锌或石墨烯。
6.如权利要求5所述的新型光伏温差发电一体化芯片，其特征在于：所述绝缘绝热基板/薄膜上的基层热电光伏材料与基板之间还设有一层导电金属材料，所述导电金属材料所在的区域与基层热电光伏材料所在的区域相同。
7.如权利要求1-6任一项所述的新型光伏温差发电一体化芯片的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、制作开有通孔的绝缘绝热基板并进行预处理；
S2、在预处理后的基板的两侧设置第一种掩膜版，镀覆基层P型/N型半导体热电光伏材料，之后在基层半导体热电光伏材料位于基板表面的部分上扩散磷或硼形成N个叠加的N/P型PN结，N≥1；
之后，在基板的两侧设置第二种掩膜版，并镀覆基层N型/P型半导体热电光伏材料，之后在基层半导体热电光伏材料位于基板表面的部分上扩散硼或磷硼形成N个叠加的P/N型PN结，N≥1；
其中，所述第一种掩膜版和第二种掩膜版上的开孔区域对应于基板上的通孔，且两者的开孔区域互不重合；
S3、在基板的两侧安装或焊接透明电极和输出电极，连接基板上的多个热电偶对构成并联或串联的回路。
8.如权利要求1-6任一项所述的新型光伏温差发电一体化芯片的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、制作开有通孔的绝缘绝热基板并进行预处理；
S2、在预处理后的薄膜上镀覆基层N型或P型半导体热电光伏材料，再在基层半导体热电光伏材料位于基板表面的部分上扩散硼或磷硼形成N个叠加的P/N型或N/P型PN结，N≥1；
S3、将镀好热电光伏材料的绝缘绝热薄膜分割成条/块，每条/块上含有若干个镀覆有多层热电光伏材料的通孔；然后将分割后的条/块重新组合，并通过透明电极和输出电极，构成由多个热电偶对并联或串联的回路。
9.如权利要求1-6任一项所述的新型光伏温差发电一体化芯片的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、制作开有通孔的绝缘绝热基板并进行预处理；
S2、在预处理后的基板的两侧设置第一种掩膜版，镀覆基层P型/N型半导体热电光伏材料，之后在基层半导体热电光伏材料位于基板表面的部分上再逐层镀覆N层N型/P型半导体热电光伏材料，N≥1，使得相邻两层材料分别形成P型PN结或N型PN结；
之后，在基板的两侧设置第二种掩膜版，并镀覆基层N型/P型半导体热电光伏材料，之后在基层半导体热电光伏材料位于基板表面的部分上再逐层镀覆N层P型/N型半导体热电光伏材料，N≥1，使得相邻两层材料分别形成N型PN结和P型PN结；
其中，所述第一种掩膜版和第二种掩膜版上的开孔区域对应于基板上的通孔，且两者的开孔区域互不重合；
S3、在基板的两侧安装或焊接透明电极和输出电极，连接基板上的多个热电偶对构成并联或串联的回路。
10.如权利要求1-6任一项所述的新型光伏温差发电一体化芯片的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、制作开有通孔的绝缘绝热基板并进行预处理；
S2、在预处理后的薄膜上镀覆半导体热电光伏材料，其中，每块薄膜上镀覆单一的基层N型或P型半导体热电光伏材料，再在基层半导体热电光伏材料位于基板表面的部分上逐层镀覆P型或N型热电光伏材料，使得相邻两层材料分别形成N型PN结或P型PN结；
S3、将镀好热电光伏材料的绝缘绝热薄膜分割成条/块，每条/块上含有若干个镀覆有多层热电光伏材料的通孔；然后将分割后的条/块重新组合，并通过透明电极和输出电极，构成由多个热电偶对并联或串联的回路。
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