CN1167141C - 由一维纳米线阵列结构温差电材料制造的微温差电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种由一维纳米线阵列结构温差电材料制造的微温差电池。微温差电池外形为薄片体，其厚度控制在20μm～3mm的范围。微温差电池主体由上、下两块板构成，具有层状结构，总体结构顺序为C层→B层→A层→B层→C层。上板由C层和B层两个材料层组成，下板依次由C层、B层和A层三个材料层组成。其特征在于：A层为一维纳米线阵列结构温差电材料层，由大量P型节和N型节纳米线阵列温差电材料组成，A层厚度在5μm～500μm的范围，B层为导电材料层，C层为封装导热绝缘材料层。本发明的微温差电池体积小，厚度薄，特别适用于高、精、尖技术领域中的微型装置系统。

Description

由一维纳米线阵列结构温差电材料制造的微温差电池
                         技术领域
本发明涉及一种由一维纳米线阵列结构温差电材料制造微温差电池的技术。属于温差电池技术领域。
                         背景技术
温差电池属于物理电池，它是一种把热能转换成电能的装置。根据赛贝克效应，若将两种不同的金属相连接并形成回路，当两接头的温度不同时，由于两接头的接触电位不同，电路中将产生一个电动势，这就是赛贝克电动势。对于半导体温差电材料而言，若把N型和P型半导体温差电材料连成л型。当两端温度不同时，P型半导体中的空穴和N型半导体中的电子则会分别向低温端积累，负载两端将产生温差电动势，利用这一原理可制成温差电池。
用传统的块状温差电材料制造的温差电池的体积庞大，热电转换效率低，其应用范围受到很大限制。
                         发明内容
本发明的目的在于提供一种用一维纳米线阵列结构温差电材料制造微型温差电池的技术。该微型温差电池的尺寸小，热电转换效率高，特别适用于为高、新技术领域中的各种微型装置系统供电，甚至可将这种微温差电池集成化到相应的器件上实现供电。
为达到上述目的，本发明通过下述技术方案加以实现。微温差电池外形为薄片体，其厚度控制在20μm～3mm的范围。微温差电池主体由上、下两块板构成，具有层状结构，总体结构顺序为C层→B层→A层→B层→C层。上板由C层和B层两个材料层组成，下板依次由C层、B层和A层三个材料层组成。其特征在于，A层为一维纳米线阵列结构温差电材料层，由大量P型节和N型节纳米线阵列温差电材料组成，A层厚度可根据需要控制在5μm～500μm的范围，B层为导电材料层，C层为封装导热绝缘材料层。
上述A层的一维纳米线阵列温差电材料的纳米线密度在104～1012个/cm2范围。A层中的大量P型节和N型节纳米线阵列温差电材料规则排列，节的几何形状可为圆形、矩形或多边形，节与节之间的间距可根据需要控制在0.01μm至2000μm的范围。
下面对本发明进行详细说明。
一维纳米线阵列温差电材料层(A层)是本发明最重要的组成部分，其上大量的P型节和N型节一维纳米线阵列温差电材料以一定的几何形状规则排列，节的大小和节间距根据对电池性能要求的不同加以确定，一般节间距控制在0.01μm至2000μm之间。A层中的每个P型节都包含有大量P型一维纳米线温差电材料。同样，A层中的每个N型节也都包含有大量N型一维纳米线温差电材料。P型和N型一维纳米线温差电材料的选择范围较宽，部分示于表1。
                  表1  P型和N型纳米线温差电材料组成
组成     类型 组成     类型
BiTe0.8Se0.2     N型 Bi0.4Sb0.6Te0.8Se0.2     P型
BiTe0.6Se0.4     N型 Bi2Te1     P型
BiTe0.4Se0.6     N型 Bi1.2Sb0.8Te1     P型
BiTe0.2Se0.8     N型 Sb2Te1     P型
Bi1Se1     N型 Bi2Te0.8Se0.2     P型
Bi0.8Sb0.2Te0.8Se0.2     N型 Bi2Te0.4Se0.6     P型
Bi0.8Sb0.2Te0.8Se0.4     N型 Bi2Se1     P型
Bi0.8Sb0.2Te0.8Se0.5     N型 Bi1.4Sb0.6Te0.8Se0.2     P型
Bi0.8Sb0.2Te0.8Se0.8     N型 Bi3.2Sb0.8Te5     P型
Bi0.8Sb0.2Se     N型 Bi2Sb2Te5     P型
Bi0.6Sb0.4Te0.8Se0.2     N型 Bi2Sb2Te3Se2     P型
Bi0.6Sb0.4Te0.6Se0.4     N型 Bi3.2Sb0.8Te4Se1     P型
Bi0.6Sb0.4Te0.4Se0.6     N型 Sb4Te5     P型
Bi0.6Sb0.4Te0.2Se0.8     N型 Pb0.75Sn0.25Te     P型
Bi0.6Sb0.4Se     N型
Bi4Tt5     N型
Bi4Se5     N型
Bi4Te3Se2     N型
PbTe+0.5Wt％PbI2     N型
Bi     N型
导电材料层(B层)用以实现A层的P型节和N型节之间的串联，以构成微温差电池的导电网路。该层可选择如金、银、镍、钛、铜、铝、锌、钯、铂等金属及合金。
封装导热绝缘层(C层)的作用有两个方面：一是作为电池的外部封装层，二是利用其良好的导热性能，在微温差电池的两个C层外板面维持所需要的温差，以保证微温差电池有足够的电压输出。该层可采用质地坚硬，导热性能良好且又不导电的金刚石、硅片等制作。厚度可根据需要控制在5μm至2mm的范围，并且面积要略大于内层金属导电层(B层)。
本发明的微温差电池的优点在于可高效率地将热能转变为电能输出，体积小，厚度薄，特别适用于高、精、尖技术领域中的微型装置系统。
                              附图说明
图1为本发明微型温差电池去掉上板C层后的立体结构示意图(粗化放大图)；
图2为微温差电池下板立体结构示意图(粗化放大图)；
图3为微温差电池上板立体结构示意图(粗化放大图)；
图4为一维纳米线阵列温差电材料的结构示意图(粗化放大图)。
图中：
1为一维纳米线阵列温差电材料层，即A层；2为导电材料层，即B层；3为封装导热绝缘材料层，即C层；4为P型节一维纳米线阵列温差电材料；5为N型节一维纳米线阵列温差电材料；6为一维纳米线温差电材料；7为绝缘基体材料。
                      具体实施方式例。
在100μm厚的硅片C层上，用PVD法沉积金属镍形成B层。随后在B层之上沉积出金属铝层。对铝层进行涂胶、前烘、铝层P型节面积曝光、P型节面积显影、后烘等一系列微电子加工工序后，采用电化学技术在P型节面积处制备出一维P型纳米线微温差电材料。再对铝层N型节面积处经类似的工艺过程，如曝光、N型节面积显影、后烘、采用电化学技术在N型节面积处制备出一维N型纳米线微温差电材料。经上述工艺在金属铝层制备出一维纳米线P型节和N型节后，再采用微电子加工刻蚀技术，刻蚀出P型节和N型节之间的节间距，制备出A层。同时，采用微电子加工刻蚀技术，在镍层刻蚀出实现A层大量P型节和N型节之间串联的导电网路，制成下板。上板亦采用100μm厚的硅片作C层，用PVD法沉积金属镍形成B层。采用微电子加工刻蚀技术对B层金属镍进行刻蚀，在B层刻蚀出实现A层大量P型节和N型节串联的导电网路，制成上板。最后，上板和下板经对接、封装等工序，制备出微温差电池。

Claims (2)

1、一种由一维纳米线阵列结构温差电材料制造的微温差电池，该微温差电池的外形为薄片体，其厚度控制在20μm～3mm的范围，微温差电池主体由上、下两块板构成，具有层状结构，总体结构顺序为C层→B层→A层→B层→C层，上板由C层和B层两个材料层组成，下板依次由C层、B层和A层三个材料层组成，其特征在于，A层为一维纳米线阵列结构温差电材料层，由大量P型节和N型节纳米线阵列温差电材料组成，A层厚度在5μm～500μm的范围，B层为导电材料层，C层为封装导热绝缘材料层。
2、按权利要求1所述的由一维纳米线阵列结构温差电材料制造的微温差电池，其特征在于：A层的一维纳米线阵列结构温差电材料的纳米线密度在104～1012个/cm2，A层中的大量P型节和N型节纳米线阵列温差电材料规则排列，节的几何形状可为圆形、矩形或多边形，节与节之间的间距在0.01μm至2000μm的范围。
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