CN111081858A - 一种高长径比方钴矿热电器件制备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高长径比方钴矿热电器件以及制备方法。该器件包括n型和p型方钴矿电偶臂，电偶臂间隙之间填充耐高温无机胶粘剂，热电器件的冷热端有微电极，冷端有引出导线。其制备包括以下过程：(1)方钴矿原材料的第一次切割；(2)方钴矿薄片热电阵列的胶粘组装；(3)单排方钴矿阵列的切割；(4)多排方钴矿阵列的胶粘组装；(5)切除模具；(6)制备掩膜；(7)制备微电极；(8)焊接引出导线。本发明的高长径比方钴矿热电器件，其电偶臂长度与横截面积比值大，热端使用温度可达到450℃，能够有效保持热电器件冷、热端温差，构型紧凑，在较小的横截面积内集成数量较多的电偶臂，使热电器件能够在小面积内产生大电压。
Description
技术领域
本发明属于温差电器件领域，具体涉及一种高长径比方钴矿热电器件及其制备。
背景技术
热电器件是一种利用Seebeck效应将温差转换为电能的能量转换部件。具有静态、无振动、无排放、无污染、不需维护、可靠性高、寿命长等优点。可用于工厂等场合废热发电。还可以用于核电源中，充当能量转换部件，将同位素热源产生的热能直接为电能。在深空探测器、深海信标、极地电子设备等环境恶劣中是不可或缺的长寿命电源。
不同的应用背景对热电器件的输出功率和电压有不同的需求。在某些使用场合下，要求热电器件的电功率满足要求的同时，需要热电器件能够在有限的横截面积内产生足够大的电压，以带动电子设备的运行。此时需要热电器件中电偶臂长度较大，以保持热电器件冷端和热端之间的温差；同时电偶臂的横截面积尽量小、排布紧凑，以便在有限的横截面积内集成对数较多的电偶臂，保证热电器件产生足够大的电压。因此，需要一种高长径比的热电器件，即电偶臂长度与电偶臂横截面积比值较大。现有中高温热电器件的长径比普遍较小，不能保持发电器内有足够的温差；且电偶臂横截面积和间隙较大，在有限的面积内集成的电偶臂数量有限，热电器件的电压达不到要求。高长径比热电器件制备过程中存在的技术困难包括：电偶臂强度不够，加工和使用过程中容易断裂；有限横截面积内集成多对热电偶臂操作困难；电偶臂横截面积和间隙较小，对于中高温热电器件难以使用传统钎焊工艺制备微电极。方钴矿热电材料使用温度可达到500～600℃，且具有优异的热电性能，n型和p型方钴矿的ZT值都可以达到1以上。因此方钴矿是一种极具应用潜力的中温热电材料。已经被制成热电器件，有望在深空探测、军用长寿命电源、废热发电等领域利用。但目前还没有高长径比的方钴矿热电器件。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种电偶臂横截面积小、长度大、结构紧凑的高长径比方钴矿热电器件。
为达此目的，具体采用如下方案：
一种方钴矿热电器件，包括p型方钴矿热电偶臂、n型方钴矿热电偶臂、及位于所述的电偶臂两端的微电极，所述的p型方钴矿热电偶臂、n型方钴矿热电偶臂间隔有电偶臂间隙。
所述的电偶臂的长径比≥25。
所述的电偶臂间隙≤1mm。
所述的电偶臂间隙填充有高温无机胶粘剂。
所述的微电极由接触层和电极层组成。
所述的接触层为金属薄膜层。
所述的电极层为铜薄膜层。
所述的方钴矿热电器件还包括引出导线。
本发明的方钴矿热电器件电偶臂横截面积小、长度大、结构紧凑、电偶臂排布规整，热电器件的热端使用温度可达到450℃，冷热端能够保持足够大的温差，在有限横截面积内能够产生较大的电压。
本发明还提供一种使电偶臂横截面积小、长度大、结构紧凑的方钴矿热电器件的制备方法。
为达此目的，具体采用如下方案：
一种方钴矿热电器件的制备方法，所述的方法包括以下步骤：
(1)获取方钴矿薄片：将n型和p型方钴矿块体原材料分别切割成若干薄片；
(2)获取方钴矿薄片热电阵列：由若干n型方钴矿薄片和p型方钴矿薄片组成的方钴矿薄片热电阵列，在由相邻的n型方钴矿薄片和p型方钴矿薄片形成的间隙中填充无机胶粘剂，并进行胶粘固化；
(3)获取单排方钴矿阵列：将步骤(2)所得方钴矿薄片热电阵列在垂直于薄片方向、且平行于薄片长度方向进行切割，切割成由若干n型和p型方钴矿电偶臂交替排布组成的单排方钴矿阵；
(4)获取多排方钴矿阵列：将步骤(3)所得若干单排方钴矿热电阵列形成多排方钴矿阵列，在相邻单排方钴矿热电阵列之间填充耐高温无机胶粘剂，并进行胶粘固化；
(5)切除模具：将步骤(4)所得带有模具的多排方钴矿阵列外围的模具切除；
(6)制备掩膜：在步骤(5)所得多排方钴矿阵列的冷端面、热端面分别制备掩膜；
(7)制备微电极：在多排方钴矿热电阵列的冷端面、热端面制备微电极，获得带有微电极的方钴矿热电阵列；
(8)在步骤(7)所得带有微电极的方钴矿热电阵列的冷端电偶臂上连接引出导线(8)，得到方钴矿热电器件。
所述的步骤(2)具体为：将n型方钴矿薄片和p型方钴矿薄片交替放置在粘接模具中，使用粘接模具固定所述的n型方钴矿薄片和p型方钴矿薄片，以得到间隙均匀的方钴矿薄片热电阵列。
所述的步骤(3)中电偶臂的长径比≥25。
所述的步骤(4)具体为：将若干单排方钴矿热电阵列按照n型和p型电偶臂交替排列方式放置在粘接模具中，使用粘接模具固定所述的若干单排方钴矿热电阵列，以得到间隙均匀的多排方钴矿热电阵列。
所述的步骤(7)包括，将步骤(6)所得覆盖有掩膜的多排方钴矿热电阵列放入磁控溅射仪中，使用磁控溅射方法在热端面和冷端面沉积接触层和电极层，除去掩膜，形成方钴矿热电阵列冷端面、热端面的微电极。
所述的接触层成分为钛或镍，电极层成分为铜。
本发明提供的制备高长径比方钴矿热电器件的方法能够制备出电偶臂横截面积小、长度大、结构紧凑的方钴矿热电器件，使热电器件的热端使用温度可达到450℃，冷热端能够保持足够大的温差，并满足有限横截面积内产生较大的电压。
附图说明：
图1本发明高长径比方钴矿热电器件侧视图；
图2本发明热电器件俯视图，即为热电器件热端；
图3本发明热电器件仰视图，即为热电器件冷端；
图4本发明多排方钴矿阵列侧视图；
图5本发明多排方钴矿阵列府视图；
图6本发明方钴矿热电器件制备工艺流程图；
图7本发明4×8方钴矿热电器件的电流-电压曲线和电流-功率曲线；
图8本发明8×8方钴矿热电器件的电流-电压曲线和电流-功率曲线；
1.n型方钴矿电偶臂 2.p型方钴矿电偶臂 3.电偶臂间隙 4.无机胶粘剂 5.接触层 6.电极层 7.微电极 8.引出导线 9.单排方钴矿阵列。
具体实施方式
下面结合附图1-8对本发明做出进一步解释。
包括p型方钴矿热电偶臂1、n型方钴矿热电偶臂2、及位于所述的电偶臂两端的微电极7，所述的p型方钴矿热电偶臂1、n型方钴矿热电偶臂2间隔有电偶臂间隙3。
所述的电偶臂的长径比≥25，即电偶臂长度：横截面积≥25:1。这种高长径比的方钴矿电偶臂在加工、制备器件和使用过程中容易损坏，因此采用传统制造方法不容易制备。本发明采用先胶粘制备方钴矿阵列，再制备电极的方法。使无机胶粘剂对电偶臂起到机械支撑、电绝缘、隔热的作用，使高长径比方钴矿电偶臂在加工和使用过程中不易断裂，热电器件具有良好的机械强度。
所述的电偶臂间隙3≤1mm。
所述的电偶臂间隙3填充有高温无机胶粘剂4。
所述的微电极7由接触层5和电极层6组成。
所述的接触层6为金属薄膜层，成分包括钛或镍。
所述的电极层7为铜薄膜层。
所述的方钴矿热电器件还包括引出导线8。
本发明的方钴矿热电器件电偶臂横截面积小、长度大、结构紧凑、电偶臂排布规整，热电器件的热端使用温度可达到450℃，冷热端能够保持足够大的温差，在有限横截面积内能够产生较大的电压。
一种方钴矿热电器件的制备方法，所述的方法包括以下步骤：
(1)获取方钴矿薄片：将n型和p型方钴矿块体原材料分别切割成若干薄片；
(2)获取方钴矿薄片热电阵列：由若干n型方钴矿薄片和p型方钴矿薄片组成的方钴矿薄片热电阵列，在由相邻的n型方钴矿薄片和p型方钴矿薄片形成的间隙中填充无机胶粘剂，并进行胶粘固化；使用的胶粘剂为耐高温、防水、电绝缘且热膨胀系数与方钴矿匹配的无机胶。
(3)获取单排方钴矿阵列：将步骤(2)所得方钴矿薄片热电阵列在垂直于薄片方向、且平行于薄片长度方向进行切割，切割成由若干n型和p型方钴矿电偶臂交替排布组成的单排方钴矿阵(9)；单排方钴矿热电阵列的厚度为0.8mm，长度为30mm。切割方向垂直于方钴矿薄片方向。
(4)获取多排方钴矿阵列：将步骤(3)所得若干单排方钴矿热电阵列形成多排方钴矿阵列，在相邻单排方钴矿热电阵列之间填充耐高温无机胶粘剂，并进行胶粘固化；
(5)切除模具：将步骤(4)所得带有模具的多排方钴矿阵列外围的模具切除；
(6)制备掩膜：在步骤(5)所得多排方钴矿阵列的冷端面、热端面分别制备掩膜；
(7)制备微电极：在多排方钴矿热电阵列的冷端面、热端面制备微电极，获得带有微电极的方钴矿热电阵列；
(8)在步骤(7)所得带有微电极的方钴矿热电阵列的冷端电偶臂上连接引出导线(8)，得到方钴矿热电器件。
所述的步骤(2)具体为：将n型方钴矿薄片和p型方钴矿薄片交替放置在粘接模具中，使用粘接模具固定所述的n型方钴矿薄片和p型方钴矿薄片，以得到间隙均匀的方钴矿薄片热电阵列。
特征为：本发明采用粘接模具进行方钴矿薄片热电阵列的胶粘组装，使方钴矿薄片阵列间隙尺寸均匀。
所述的步骤(3)中电偶臂的长径比≥25，即电偶臂长度：横截面积≥25:1。这种高长径比的方钴矿电偶臂在加工、制备器件和使用过程中容易损坏，因此采用传统制造方法不容易制备。本发明采用先胶粘制备方钴矿阵列，再制备电极的方法。使无机胶粘剂对电偶臂起到机械支撑、电绝缘、隔热的作用，使高长径比方钴矿电偶臂在加工和使用过程中不易断裂，热电器件具有良好的机械强度。
所述的步骤(4)具体为：将若干单排方钴矿热电阵列按照n型和p型电偶臂交替排列方式放置在粘接模具中，使用粘接模具固定所述的若干单排方钴矿热电阵列，以得到间隙均匀的多排方钴矿热电阵列。
特征为：使用模具固定单排方钴矿热电阵列，使热电阵列中方钴矿电偶臂的排布规则，间隙尺寸均匀。使用的胶粘剂为耐高温、防水、电绝缘且热膨胀系数与方钴矿匹配的无机胶粘剂，该胶粘剂起到电绝缘和结构支撑作用。
所述的步骤(7)，将步骤(6)所得覆盖有掩膜的多排方钴矿热电阵列放入磁控溅射仪中，使用磁控溅射方法在热端面和冷端面沉积接触层和电极层，除去掩膜，形成方钴矿热电阵列冷端面、热端面的微电极。
接触层成分为钛或镍，电极层成分为铜。
本发明提供的高长径比方钴矿热电器件及其制备方法的方法解决了常规尺寸方钴矿器件长径比小、单位面积内输出电压小的问题，以及高长径比热电器件制备过程中单根电偶臂易断裂、微电极尺寸小不易通过常规钎焊方法连接的问题，还起到了使无机胶粘剂同时起到机械支撑、隔热和电绝缘的作用。本发明的制备方法制备出电偶臂横截面积小、长度大、结构紧凑、电偶臂排布规整的方钴矿热电器件。热电器件的热端使用温度可达到450℃，冷热端能够保持足够大的温差，在有限横截面积内能够产生较大的电压。
实施例1
所述的电偶臂横截面积为0.8mm×0.8mm，长度≥25mm。电偶臂间隙为0.5mm。
下面以4×8方钴矿热电器件为例，对本发明的具体实施方式进行具体描述：
(1)先将尺寸为φ50mm×厚度4mm的n型和p型方钴矿块体材料切割成0.8mm×4mm×30mm的方钴矿薄片。
(2)将(1)所得的n型和p型0.8mm×4mm×30mm方钴矿薄片使用无水乙醇清洗并晾干，4片n型和4片p型方钴矿薄片交替装入PVC模具。在方钴矿薄片之间的间隙中填充高温无机胶粘剂。然后进行胶粘剂固化。得到方钴矿薄片阵列。
(3)将(2)所得方钴矿薄片阵列垂直于薄片的方向再次切割。获得1×8单层方钴矿阵列。
(4)取4片步骤(3)所得的1×8单排方钴矿阵列，使用无水乙醇清洗并晾干，按照n型和p型方钴矿电偶臂交替的方式安装到第二步胶粘模具中，1×8单排方钴矿阵列之间的间隙为0.5mm。在每个1×8单排方钴矿阵列之间填充耐高温无机胶粘剂。并进行胶体固化。获得带有模具的高长径比4×8多排方钴矿阵列。
(5)切除模具，将器件长度切割为25～28mm，获得尺寸为5mm×10mm×(25～28)mm的高长径比4×8多排方钴矿阵列。
(6)将(5)所得的高长径比4×8多排方钴矿阵列使用乙醇清洗干净并晾干，在其冷端和热端按照设计图案制备掩膜。获得覆有掩膜的4×8多层方钴矿阵列。
(7)将(6)所得覆有掩膜的4×8多排方钴矿阵列放置于磁控溅射仪中，在冷端和热端磁控溅射制备接触层薄膜和铜电极薄膜。
(8)除去冷端和热端的掩膜，制备出设计图案的微电极。获得带有微电极的4×8多排方钴矿阵列。
(9)在(8)所得带有微电极的方钴矿阵列冷端连接导线。得到高长径比方钴矿热电器件。4×8热电器件性能如图7所示，热端温度450℃，冷端温度26℃时，器件开路电压为1.7V，最高输出电功率64mW，转换效率为2.6％。
实施例2
下面以8×8方钴矿热电器件为例，对本发明的具体实施方式进行具体描述：
(1)先将尺寸为φ50mm×厚度4mm的n型和p型方钴矿块体材料切割成0.8mm×4mm×30mm的方钴矿薄片。
(2)将(1)所得的n型和p型0.8mm×4mm×30mm方钴矿薄片使用无水乙醇清洗并晾干，4片n型和4片p型方钴矿薄片交替装入PVC模具。在方钴矿薄片之间的间隙中填充高温无机胶粘剂。然后进行胶粘剂固化。得到方钴矿薄片阵列。
(3)将(2)所得方钴矿薄片阵列垂直于薄片的方向再次切割。获得1×8单排方钴矿阵列。
(4)取8片步骤(3)所得的1×8单排方钴矿阵列，使用无水乙醇清洗并晾干，按照n型和p型方钴矿电偶臂交替的方式安装到第二步胶粘模具中，1×8单排方钴矿阵列之间的间隙为0.5mm。在每个1×8单排方钴矿阵列之间填充耐高温无机胶粘剂。并进行胶体固化。获得带有模具的高长径比8×8多排方钴矿阵列。
(5)切除模具，将器件长度切割为25～28mm，获得尺寸为10mm×10mm×
(25～28)mm的高长径比8×8多排方钴矿阵列。
(6)将(5)所得的高长径比8×8多排方钴矿阵列使用乙醇清洗干净并晾干，在其冷端和热端按照设计图案制备掩膜。获得覆有掩膜的8×8多排方钴矿阵列。
(7)将(6)所得覆有掩膜的8×8多排方钴矿阵列放置于磁控溅射仪中，在冷端和热端磁控溅射制备接触层薄膜和铜电极薄膜。
(8)除去冷端和热端的掩膜，制备出设计图案的微电极。获得带有微电极的8×8多层方钴矿阵列。
(9)在(8)所得带有微电极的方钴矿阵列冷端连接导线。得到高长径比方钴矿热电器件。8×8热电器件性能如图8所示，热端温度450℃，冷端温度23℃时，器件开路电压为3.5V，最高输出电功率186mW，转换效率为3.6％。
Claims (14)
1.一种方钴矿热电器件，其特征在于：包括p型方钴矿热电偶臂(1)、n型方钴矿热电偶臂(2)、及位于所述的电偶臂两端的微电极(7)，所述的p型方钴矿热电偶臂(1)、n型方钴矿热电偶臂(2)间隔有电偶臂间隙(3)。
2.根据权利要求1所述的方钴矿热电器件，其特征在于：所述的电偶臂(2)的长径比≥25。
3.根据权利要求1所述的方钴矿热电器件，其特征在于：所述的电偶臂间隙(3)≤1mm。
4.根据权利要求1所述的方钴矿热电器件，其特征在于：所述的电偶臂间(3)隙填充有高温无机胶粘剂(4)。
5.根据权利要求1所述的方钴矿热电器件，其特征在于：所述的微电极(7)由接触层(5)和电极层(6)组成。
6.根据权利要求1所述的方钴矿热电器件，其特征在于：所述的接触层(5)为金属薄膜层。
7.根据权利要求1所述的方钴矿热电器件，其特征在于：所述的电极层(6)为铜薄膜层。
8.根据权利要求1所述的方钴矿热电器件，其特征在于：所述的方钴矿热电器件还包括引出导线(8)。
9.一种方钴矿热电器件的制备方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：
(1)获取方钴矿薄片：将n型和p型方钴矿块体原材料分别切割成若干薄片；
(2)获取方钴矿薄片热电阵列：由若干n型方钴矿薄片和p型方钴矿薄片组成的方钴矿薄片热电阵列，在由相邻的n型方钴矿薄片和p型方钴矿薄片形成的间隙中填充无机胶粘剂，并进行胶粘固化；
(3)获取单排方钴矿阵列：将步骤(2)所得方钴矿薄片热电阵列在垂直于薄片方向、且平行于薄片长度方向进行切割，切割成由若干n型和p型方钴矿电偶臂交替排布组成的单排方钴矿阵；
(4)获取多排方钴矿阵列：将步骤(3)所得若干单排方钴矿热电阵列形成多排方钴矿阵列，在相邻单排方钴矿热电阵列之间填充耐高温无机胶粘剂，并进行胶粘固化；
(5)切除模具：将步骤(4)所得带有模具的多排方钴矿阵列外围的模具切除；
(6)制备掩膜：在步骤(5)所得多排方钴矿阵列的冷端面、热端面分别制备掩膜；
(7)制备微电极：在多排方钴矿热电阵列的冷端面、热端面制备微电极，获得带有微电极的方钴矿热电阵列；
(8)在步骤(7)所得带有微电极的方钴矿热电阵列的冷端电偶臂上连接引出导线，得到方钴矿热电器件。
10.根据权利要求8所述的方钴矿热电器件的制备方法，其特征在于：所述的步骤(2)具体为：将n型方钴矿薄片和p型方钴矿薄片交替放置在粘接模具中，使用粘接模具固定所述的n型方钴矿薄片和p型方钴矿薄片，以得到间隙均匀的方钴矿薄片热电阵列。
11.根据权利要求8所述的方钴矿热电器件的制备方法，其特征在于：所述的步骤(3)中电偶臂的长径比≥25。
12.根据权利要求8所述的方钴矿热电器件的制备方法，其特征在于：所述的步骤(4)包括：将若干单排方钴矿热电阵列按照n型和p型电偶臂交替排列方式放置在粘接模具中，使用粘接模具固定所述的若干单排方钴矿热电阵列，以得到间隙均匀的多排方钴矿热电阵列。
13.根据权利要求8所述的方钴矿热电器件的制备方法，其特征在于：所述的步骤(7)包括，将步骤(6)所得覆盖有掩膜的多排方钴矿热电阵列放入磁控溅射仪中，使用磁控溅射方法在热端面和冷端面沉积接触层和电极层，除去掩膜，形成方钴矿热电阵列冷端面、热端面的微电极。
14.根据权利要求8所述的方钴矿热电器件的制备方法，其特征在于：接触层成分为钛或镍，电极层成分为铜。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113594343A (zh) * | 2021-07-07 | 2021-11-02 | 西安交通大学 | 热电器件及其制造模具和制造方法 |
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2019
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