CN110024145B - 热电模块和热电发电机 - Google Patents

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Abstract

提供了热电模块和热电发电机。所述热电模块包括：设置有第一电极的第一基板；设置有第二电极并且与所述第一基板相对布置的第二基板；以及布置在所述第一基板与所述第二基板之间并且电连接至所述第一电极和所述第二电极的复数个热电元件。所述热电元件可以用包含银(Ag)的接合层彼此烧结和接合以在所述第一基板与所述第二基板之间电连接，并且可以包括电连接至所述第一电极的基于方钴矿的热电元件；和电连接至所述第二电极并且用所述接合层连接至所述基于方钴矿的热电元件的基于BiTe的热电元件。

Description

热电模块和热电发电机
技术领域
本申请要求于2017年8月18日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请第10-2017-0105104号的优先权和权益，其全部内容通过引用并入本文。
本发明涉及热电模块以及其中热电模块的品质和热稳定性得到改善的热电发电机。
背景技术
当固态材料的相反端之间存在温度差时，产生具有热依赖性的载流子(电子或空穴)的浓度差，这表现为被称为热电动势的电现象，即热电现象。
热电现象是指温度差与电压之间的直接能量转换。
热电现象可以分为产生电能的热电发电和通过电源引起材料的相反端的温差的热电冷却/加热。
已经以许多方式研究了表现出热电现象的热电材料，即热电半导体，因为该材料具有在发电和冷却过程中环境友好且可持续的优点。
此外，对这样的热电材料的关注日益增加，因为该材料可以直接由工业废热和汽车废热产生电力，并因此可以用于有益于提高燃料效率和减少CO2的技术。
热电模块的基本单元可以是包括电流通过空穴载体流过的p型热电元件(TE)和电流通过电子流过的n型热电元件的p-n热电元件的单偶(uni-couple)。热电模块还可以包括使p型热电元件与n型热电元件彼此连接的电极。
热电元件通常可以形成为棒状或柱状结构，并且可以在其中材料的一端保持在高温并且其另一端保持在低温的状态下获得与温度差的平方成比例的功率。
用于这样的热电元件的热电材料具有其中其性能被优化的使用温度范围，并且复数个热电材料被接合并使用以遵循温度差，以使在使用温度下的发电输出或效率最大化。在此，通过将热电材料在机械结构和电二者方面彼此串联接合而形成的元件被称为分段热电元件。
同时，基于方钴矿的热电材料和基于BiTe的热电材料的烧结温度彼此不同。因此，在通过将以上热电材料彼此接合来制造热电元件的过程中，热电模块的品质和热稳定性可能劣化。
发明内容
技术问题
本发明致力于提供具有改善输出、效率特性和热稳定性的优点的热电模块和热电发电机。
技术方案
本发明的一个示例性实施方案提供了一种热电模块，包括：设置有第一电极的第一基板；设置有第二电极并且与第一基板相对布置的第二基板；以及布置在第一基板与第二基板之间并且电连接至第一电极和第二电极的复数个热电元件。
热电元件可以用包含银(Ag)的接合层彼此烧结和接合以在第一基板与第二基板之间电连接，并且所述热电元件包括电连接至第一电极的基于方钴矿的热电元件，和电连接至第二电极并且用接合层连接至基于方钴矿的热电元件的基于BiTe的热电元件。
热电元件可以包括第一热电元件，所述第一热电元件在第一基板与第二基板之间电连接；和第二热电元件，所述第二热电元件以其中第二热电元件与第一热电元件间隔开的状态在第一基板与第二基板之间电连接。
第一热电元件可以由用接合层彼此接合的至少两个或更多个热电元件形成。
第一热电元件可以包括电连接至第一电极的第一基于方钴矿的热电元件；和电连接至第二电极并且用接合层连接至第一基于方钴矿的热电元件的第一基于BiTe的热电元件。
第一热电元件的相反端可以各自用接合层电连接至第一电极和第二电极。
第二热电元件可以由用接合层彼此接合的至少两个或更多个热电元件形成。
第二热电元件可以包括电连接至第一电极的第二基于方钴矿的热电元件；和电连接至第二电极并且用接合层连接至第二基于方钴矿的热电元件的第二基于BiTe的热电元件。
第二热电元件的相反端可以各自用接合层电连接至第一电极和第二电极。
第一热电元件可以为p型热电半导体，以及第二热电元件可以为n型热电半导体。
热电模块还可以包括布置在第一基板与第一热电元件之间的扩散阻挡层。
热电模块还可以包括布置在第二基板与第二热电元件之间的扩散阻挡层。
热电模块还可以包括布置在第一基于方钴矿的热电元件与第一基于BiTe的热电元件之间的扩散阻挡层。
热电模块还可以包括布置在第二基于方钴矿的热电元件与第二基于BiTe的热电元件之间的扩散阻挡层。
扩散阻挡层可以由选自铪(Hf)、氮化钛(TiN)、锆(Zr)和Mo-Ti中的至少一者形成。
根据本发明的一个实施方案，热电发电机可以包括如上所述的热电模块。
热电发电机可以包括连接至热电模块的至少一个高温块；在与高温块相反的侧面连接至热电模块的低温块；以及布置在高温块和低温块中的散热构件。
有益效果
根据本发明的一个实施方案，通过使用包含银(Ag)的糊料将第一热电元件彼此烧结和接合并将第二热电元件彼此烧结和接合，可以改善热电模块的输出、效率特性和热稳定性。
根据本发明的一个实施方案，热电模块的输出和效率特性可以得到改善，使得热电发电机的发电输出和效率可以得到改善。
附图说明
图1是示意性地示出根据本发明的一个实施方案的热电模块的单偶的主要组件的截面图。
图2是示出根据本发明的一个实施方案的热电模块的输出特性的示意图。
图3是示出根据本发明的一个实施方案的热电模块的效率特性的示意图。
具体实施方式
在下文中，参照附图详细描述本发明的实施方案，以使本领域技术人员可以容易地实施本发明。如本领域技术人员将认识到的，所描述的实施方案可以以各种不同方式修改，所有这些都不脱离本发明的精神或范围。
附图和描述应被认为本质上是说明性的而非限制性的。在整个说明书中，相同的附图标记表示相同的元件。
在整个本说明书和所附权利要求书中，当描述元件“耦接”至另一元件时，该元件可以“直接耦接”至另一元件或者通过第三构件“间接耦接”至另一元件。此外，除非明确相反地描述，否则词语“包括”和诸如“包含”或“含有”的变形应被理解为意味着包括所述元件但不排除任何其他元件。
在整个本说明书和所附权利要求书中，当描述诸如层、膜、区域、板等的元件被称为在另一元件“上”或“上方”时，应理解该元件可以直接在另一元件“上”或者其间包括其他元件而在另一元件的“上方”。此外，词语“在…上”或“在…上方”意指位于对象部分的上方或下方，而不一定意指对象位于相对于重力方向的上侧。
图1是示意性地示出根据本发明的一个实施方案的热电模块的单偶的主要组件的截面图。
根据本发明的一个实施方案，如图1所示，热电模块的单偶100可以包括：设置有第一电极11的第一基板10；设置有第二电极21并且与第一基板10相对布置的第二基板20；和布置在第一基板10与第二基板20之间并且电连接至第一电极11和第二电极21的复数个热电元件30。在此，热电元件30可以用包含银(Ag)的接合层40彼此接合。
热电元件30可以包括电连接至第一电极11的基于方钴矿的热电元件31a和33a；以及电连接至第二电极并且用接合层40连接至基于方钴矿的热电元件31a和33a的基于BiTe的热电元件31b和33b。
基于方钴矿的热电元件31a和33a可以包括第一基于方钴矿的热电元件31a和第二基于方钴矿的热电元件33a，以及基于BiTe的热电元件31b和33b可以包括第一基于BiTe的热电元件31b和第二基于BiTe的热电元件33b。
同时，第一基板10和第二基板20可以分别布置在热电元件30的相反端上(具有介于其间的热电元件30)，用于支撑热电元件。
在本实施方案中，第一基板10可以用作高温部。第一基板10具有面向热电元件30的平坦表面并且可以稳定地支撑热电元件30。
第一基板10可以由陶瓷材料例如氧化铝或氮化铝(AlN)形成。
在本实施方案中，第二基板20可以用作低温部。第二基板20可以与第一基板10相对布置(具有介于第一基板和第二基板之间的热电元件30)，并与第一基板10一起稳定地支撑热电元件30。
第二基板20可以由陶瓷材料例如氧化铝或AlN形成。
还可以在第二基板20上形成散热构件(未示出)以提高散热效率。
同时，热电元件30可以布置成其中热电元件30通过第一电极11和第二电极21在第一基板10与第二基板20之间电连接的状态。
热电元件30可以包括第一热电元件31，该第一热电元件31在第一基板10与第二基板20之间电连接；和第二热电元件33，该第二热电元件33以其中第二热电元件33与第一热电元件31间隔开的状态在第一基板10与第二基板20之间电连接。
第一热电元件31可以由用接合层40彼此接合的至少两个或更多个热电元件形成并且布置在第一基板10与第二基板20之间。
第一热电元件31的相反端可以各自用接合层40电连接至第一电极11和第二电极21。
第一热电元件31可以由p型热电半导体形成，并且包括电连接至第一电极11的第一基于方钴矿的热电元件31a和电连接至第二电极21的第一基于BiTe的热电元件31b。
也就是说，第一热电元件31可以具有使电连接至第一基板10的部分中相对高温区域处的性能效率最大化的第一基于方钴矿的热电元件31a。
第一热电元件31可以具有使电连接至第二基板20的部分中相对低温区域处的性能效率最大化的第一基于BiTe的热电元件31b。
在第一热电元件31中，第一基于方钴矿的热电元件31a和第一基于BiTe的热电元件31b可以用接合层40彼此接合。
也就是说，由包含银(Ag)的糊料形成的接合层40可以将第一基于方钴矿的热电元件31a和第一基于BiTe的热电元件31b彼此烧结和接合。
在此，第一基于方钴矿的热电元件31a和第一基于BiTe的热电元件31b在电连接至第一基板10和第二基板20之前可以用接合层40彼此烧结和接合。
同时，热电模块还可以包括布置在第一基于方钴矿的热电元件31a与第一基于BiTe的热电元件31b之间的扩散阻挡层50。扩散阻挡层50可以防止热电材料彼此扩散。
扩散阻挡层50可以由选自铪(Hf)、氮化钛(TiN)、锆(Zr)和Mo-Ti中的至少一者形成。
除了如上所述的形成在第一基于方钴矿的热电元件31a与第一基于BiTe的热电元件31b之间的扩散阻挡层50之外，热电模块还可以包括形成在第一基板10与第一热电元件31之间的扩散阻挡层和形成在第二基板20与第一热电元件31之间的扩散阻挡层。
第二热电元件33可以形成为与第一热电元件31的形状相同或相似的形状，并且可以以其中第二热电元件33与第一热电元件31间隔开的状态布置在第一基板10与第二基板20之间。
第二热电元件33还可以调节成具有适当的尺寸或形状以提高发电效率。第二热电元件33可以由n型热电半导体形成，并且包括电连接至第一电极11的第二基于方钴矿的热电元件33a和电连接至第二电极21的第二基于BiTe的热电元件33b。
也就是说，第二热电元件33可以具有使电连接至第一基板10的部分中相对高温区域处的性能效率最大化的第二基于方钴矿的热电元件33a。
第二热电元件33可以具有使电连接至第二基板20的部分中相对低温区域处的性能效率最大化的第二基于BiTe的热电元件33b。
在第二热电元件33中，第二基于方钴矿的热电元件33a和第二基于BiTe的热电元件33b可以用接合层40彼此接合。
也就是说，由包含银(Ag)的糊料形成的接合层40可以将第二基于方钴矿的热电元件33a和第二基于BiTe的热电元件33b彼此烧结和接合。
在此，第二基于方钴矿的热电元件33a和第二基于BiTe的热电元件33b在电连接至第一基板10和第二基板20之前可以用接合层40彼此烧结和接合。
同时，热电模块还可以包括布置在第二基于方钴矿的热电元件33a与第二基于BiTe的热电元件33b之间的扩散阻挡层50。
扩散阻挡层50可以防止热电材料彼此扩散。除了如上所述的形成在第二基于方钴矿的热电元件33a与第二基于BiTe的热电元件33b之间的扩散阻挡层50之外，热电模块还可以包括形成在第一基板10与第二热电元件33之间的扩散阻挡层和形成在第二基板20与第二热电元件33之间的扩散阻挡层。
如上所述，通过使用包含银(Ag)的糊料将第一热电元件彼此烧结和接合并将第二热电元件彼此烧结和接合，本实施方案的热电模块的单偶100可以改善热电模块的输出、效率特性和热稳定性。
图2是示出根据本发明的一个实施方案的热电模块的输出特性的示意图；以及图3是示出根据本发明的一个实施方案的热电模块的效率特性的示意图。
也就是说，图2和图3是示出在制造由热电模块的31个单偶100构成的热电模块之后的分段模块(segment module)的根据温度差的输出和效率特性的图。
具体而言，如图2所示，在281℃、356℃和447℃下分别获得7.49W、11.52W和15.54W的发电输出。
在此，Voc(开路电压)在各温度差下为3.06V、3.94V和4.73V。
如图3所示，作为测量发电效率的结果，在各温度差下获得8.99％、10.32％或10.72％的高效率。
通常，基于方钴矿的热电元件的发电效率为约6.5％，因此确定分段热电元件具有相当高的发电效率。
根据本发明的一个实施方案，热电发电机可以包括连接至热电模块的至少一个高温块；在与高温块相反的侧面连接至热电模块的低温块；和布置在低温块中的散热构件。
热电模块的输出和效率特性因此得到改善，使得可以改善热电发电机的发电效率。
虽然已经结合目前被认为是实用的示例性实施方案描述了本发明，但是应理解，本发明不限于所公开的实施方案。相反地，旨在涵盖包括在所附权利要求的精神和范围内的各种修改和等同布置。
<附图标记>
10：第一基板 11：第一电极
20：第二基板 30：热电元件
31：第一热电元件 33：第二热电元件
40：接合层 50：扩散阻挡层
21：第二电极 100：单偶
31a：第一基于方钴矿的热电元件
31b：第一基于BiTe的热电元件
33a：第二基于方钴矿的热电元件
33b：第二基于BiTe的热电元件

Claims (12)

1.一种热电模块，包括：
设置有第一电极的第一基板；
设置有第二电极并且与所述第一基板相对布置的第二基板；以及
布置在所述第一基板与所述第二基板之间并且电连接至所述第一电极和所述第二电极的复数个热电元件，
其中所述热电元件用包含银(Ag)的接合层彼此烧结和接合以在所述第一基板与所述第二基板之间电连接，并且所述热电元件包括电连接至所述第一电极的基于方钴矿的热电元件，和电连接至所述第二电极并且用所述接合层连接至所述基于方钴矿的热电元件的基于BiTe的热电元件，
其中所述热电元件包括第一热电元件，所述第一热电元件在所述第一基板与所述第二基板之间电连接；和第二热电元件，所述第二热电元件以其中所述第二热电元件与所述第一热电元件间隔开的状态在所述第一基板与所述第二基板之间电连接，
其中所述第一热电元件包括电连接至所述第一电极的第一基于方钴矿的热电元件；和电连接至所述第二电极并且用所述接合层连接至所述第一基于方钴矿的热电元件的第一基于BiTe的热电元件，
其中所述热电模块还包括布置在所述第一基于方钴矿的热电元件与所述第一基于BiTe的热电元件之间的扩散阻挡层，
其中所述扩散阻挡层由选自铪(Hf)、氮化钛(TiN)、锆(Zr)和Mo-Ti中的至少一者形成。
2.根据权利要求1所述的热电模块，其中所述第一热电元件的相反端各自用所述接合层电连接至所述第一电极和所述第二电极。
3.根据权利要求1所述的热电模块，其中：
所述第二热电元件由用所述接合层彼此接合的至少两个热电元件形成。
4.根据权利要求3所述的热电模块，其中：
所述第二热电元件包括
电连接至所述第一电极的第二基于方钴矿的热电元件；和电连接至所述第二电极并且用所述接合层连接至所述第二基于方钴矿的热电元件的第二基于BiTe的热电元件。
5.根据权利要求3所述的热电模块，其中：
所述第二热电元件的相反端各自用所述接合层电连接至所述第一电极和所述第二电极。
6.根据权利要求1所述的热电模块，其中：
所述第一热电元件为p型热电半导体，以及所述第二热电元件为n型热电半导体。
7.根据权利要求1所述的热电模块，还包括
布置在所述第一基板与所述第一热电元件之间的扩散阻挡层。
8.根据权利要求7所述的热电模块，还包括
布置在所述第二基板与所述第二热电元件之间的扩散阻挡层。
9.根据权利要求4所述的热电模块，还包括
布置在所述第二基于方钴矿的热电元件与所述第二基于BiTe的热电元件之间的扩散阻挡层。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的热电模块，其中：
所述扩散阻挡层由选自铪(Hf)、氮化钛(TiN)、锆(Zr)和Mo-Ti中的至少一者形成。
11.一种包括根据权利要求1所述的热电模块的热电发电机。
12.根据权利要求11所述的热电发电机，还包括
连接至所述热电模块的至少一个高温块；在与所述高温块相反的侧面连接至所述热电模块的低温块；以及布置在所述高温块和所述低温块中的散热构件。
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