CN1890821B - 热电电源 - Google Patents

Abstract

公开了高性能薄膜热电偶及其制造方法。这样的热电偶即使仅由小温差激活时也允许制造以大于1伏的电压操作的至少微瓦到瓦级的电源装置。

Description

热电电源

政府支持声明 

本发明是在美国能源部授予的合同DE AC0676RLO1830下以政府支持的方式进行的。政府具有本发明的当然权利。 

相关申请的交叉引用 

本申请是2003年12月2日提交的共同未决美国专利申请号10/726,744和2003年12月2日提交的共同未决美国专利申请号10/727,062的继续部分，并且要求享有2004年3月30日提交的美国临时专利申请号60/558,298的权益。 

技术领域

本公开涉及热电装置，以及制造和使用所述热电装置的材料和方法，以产生有效的热电装置。 

背景技术

便携式电子装置的越来越多的使用已驱动了便携式发电机领域的研究。已发现热电(TE)电源特别有用。TE电源典型地包含3个部分：热源、热沉和热电堆。由串联连接的若干热电偶组成的热电堆用来将热能中的一些转换成电能。基于通过热电堆的热电偶产生热梯度，TE电源生成电功率。通过在“热的”一侧或结点接受热能，将其传递通过热电堆，并且将热量丢弃给“冷的”一侧或结点，TE电源运行以将热能转换成电功率。 

某些特殊的TE电源和TE热电偶是使用半导体材料形成的。具有不同特性的半导体材料串联电连接(以形成热电偶)并且并联热连接，以便产生两个结点。半导体材料典型地为n型和p型。在典型的热电装置中，在p型和n型半导体材料之间形成导电连接。这些材料被如此命名是因为它们的结构：n型具有比完成理想的分子晶格结构所必须的更多的电子，而p型则不具有足够的电子以完成晶格结构。n型材料中额外的电子和p型材料中剩余的空穴被称作“载流子”。作为热扩散的结果，载流子被从热结点驱赶到冷结点，导致电流。为了热电冷却，电子和空穴作为施加的电流的结果而传输热量。现有技术图1a显示了这样的能量转换的形式。冷却作用源自逆转所述过程。 

半导体TE装置的性能受到材料的无量纲的热电品质因数(ZT)的限制，其中，T为绝对温度，并且Z为热电品质因数，Z＝sa²/k(a-热电功率，s-电导率，k-热导率)。典型地，TE装置优选地由具有相对高的热电品质因数的TE材料形成。然而，在某些装置中，关键目标是要在尽可能小的或紧凑的装置中以1.0V之上的电压产生功率。已知的具有相对高的热电品质因数的TE材料不能被沉积为可用于形成小的TE电源装置的基片上的薄膜。这样一来，尽管更加有效的材料(亦即具有高ZT值的材料)典型地更好，但是对于许多应用而言，更加重要的是，在柔性基片上形成作为结果的装置。结果，尽管可能存在一些ZT值的牺牲，但是使用在这样的基片上可沉积的TE材料，所述基片允许制造具有相对高的电压(而不需要dc-dc转换器)的小装置，对于某些应用更好。遗憾的是这样的材料和方法尚未可得。 

对于单晶GaAs上生长的Bi-Te/Sb-Te超晶格，已报导了具有大于2.0的ZT值的装置。然而，对于必须在相对小的封装中放置成百上千元件的许多应用而言，这样的装置并不适用。 

不管TE装置的潜力和希望，当制造相对小的装置时，现有的TE电源具有有限的效率和电势。诸如电化学沉积之类的用于制造TE装置的传统半导体沉积技术并不很适合于建造最优设计的TE电源。困难的合成已将许多TE装置的构造限于大块材料或极少量——每个都遭受了尺寸或性能方面的缺点。 

例如，以每个截然不同的热元件典型地具有几毫米左右的长度和宽度的方式，当前可用的TE模块具有类似于现有技术图1b中描绘的那样的结构。例如在美国专利号6,388,185以及C.B.Vining，Nature413：577(2001年10月11日)中描述了这样的模块。这些模块不能提供容易地匹配包括功率调节电子装置在内的许多装置的输入需要的电压。 

用于建造能够在相对小的封装中微瓦功率输出的高电压薄膜TE装置的实用方法是需要的。另外，使用大约10℃或以下的温度梯度的TE装置，和以环境温度或在环境温度附近操作的TE装置—样，会是有帮助的。若干应用需要以这样的温度和/或在这样的温度梯度上操作的TE装置。例如，用于建立气候控制或者用于诸如如果可能的话利用环境能量的军事应用之类的其他应用的传感器，仅在5到20℃的温差上操作。 

另外，在许多环境中，在需要硬连线的或电池供电的电能源以操作特殊装置的遥远的或难以接近的地区，TE电源和装置会特别有用。例如，诸如可以用于测量温度、压力、湿度、车辆、人员和动物的存在或移动或者其他环境属性之类的遥感器，能够被容易地配置以获得并将这样的数据传输到更易于接近的地区。可用于向这样的装置提供功率的传统选项，诸如电池和太阳能电池之类，是有缺点的。 

尽管电池技术近年来已进步巨大，但是吸取源自化学反应的电能的任何装置都具有受到化学反应持续时间限制的使用寿命。这样一来，专门依靠电池的远程应用就固有地受到电池寿命和可靠性的限制。环境因素同样能够妨碍遥远地区使用的太阳能源的使用寿命。过多的云量和变化的天气模式能够使太阳能电池不可靠。通过下雨或其他天气相关影响而沉积在太阳能装置的表面上的灰尘和碎片，和正常老化一起同样能够使这些装置的常规操作退化。由于和这些以及其他功率技 术相关的缺点，保持了对于能够在遥远的地区操作长时限的可靠电源的需要。 

不同的约束施加在非远程设置中。例如，在大的建筑物中，能够有效地使用几万个传感器，以提供能量递送和分布的智能传感和控制以及环境状况的传感和报告。目前，这种景象是不切实际的，因为传统功率解决方案既在技术上不足，又太过昂贵。用电池电源装配每个传感器，除了初始安装和定期更换的高成本之外，还包括了上面提到的电池的性能限制。将大量的传感器硬连线到中央供应(central supply)的可供选择的办法会改善可靠性，但是必定会引入复杂电路和使这种方法在经济上不可行的成本。借助于诸如通过以本公开提供的方式收获并转换周围能量来产生电功率的TE电源之类的TE电源，能够克服传统解决方案的这些不足。 

由于热电装置能够响应跨越所述热电装置不同的温度的存在而生成电功率，所以在自然发生在这些远程的、非远程的以及较不易于接近的地区的不同温度中，可以找到用于当前公开的TE电源和装置的一个潜在能量来源。然而，由于跨越传统热电装置的距离典型地很小，所以迄今一个也没有被成功地配置以利用例如它之下的地面和它之上的空气之间的温度变化。 

发明内容

影响TE模块(在此也被称作偶或热电偶)产生的电压的关键参数是单独热元件的长度对面积(L/A)的比率，其中A是热元件的横截面积。当前的单片(或分立元件)模块特征在于小于大约20cm^-1的L/A值。尽管一些超晶格TE装置已被提议具有比当前单片装置高得多的L/A值，但是超晶格TE装置遭受了其他的缺点。当前的超晶格TE装置已被提议包含n型超晶格结构，其以单独n型元件总厚度为大约0.0001cm的方式具有50

厚的交替层。尽管超晶格TE随着相对高的赛贝克(Seebeck)系数而相对有效，但是没有膜在柔性基片上可沉积的 超晶格TE技术。当前，所有的超晶格材料都沉积在单晶体上；膜生长在GaAs基片上，然后被去除并应用于另一个基片。这样一来，在本公开之前，超晶格TE并不典型地可用于需要小的或紧凑的TE装置的应用。 

因此，公开了诸如薄膜热电(TE)模块和电源之类的各种热电功率装置和电源。公开的薄膜TE模块和电源的某些实施例具有相对大的L/A比值，其大于大约20cm^-1，并且也许更加典型地大于大约100cm^-1 。公开的薄膜TE模块和电源的某些实施例甚至具有更大的L/A比值，例如高达大约1,000到大约10,000cm^-1或更大。公开的TE电源的某些实施例的L/A比值允许制造μW到W的电源，其甚至当通过诸如20℃或10℃之类的相对小的温差被激活时，并且某些实施例甚至在小至大约5℃的温差下被激活时，也能够提供大于1伏的电压。公开的TE电源的尺寸相对小——具有1到10cm³范围内的体积——远小于在1μW到1W范围内操作的现有装置，并且某些实施例提供大于1V的电压。 

更加具体地，公开的薄膜TE电源部分地包含具有多个热元件(例如n型和p型热元件对)的TE偶阵列。热元件由Bi_xTe_y、Sb_xTe_y和Bi_xSe_y合金的溅射沉积的薄膜形成，其中，x典型地大约为2，而y则典型地大约为3。热元件形成模块(热电偶)，用于将热能转换成电能。这样的热元件典型地包含具有大于大约500cm^-1的L/A比率的TE材料的薄膜。装置包括这样的模块，其中，p型和n型TE材料的薄膜沉积在例如适当的柔性基片上，并且串联地或串并联地相互电连接。 

薄膜TE电源的实施例包含多个TE模块、高温部件(或热源)以及低温部件(用于去除热量的某种机构)。TE电源可以另外地包括—个或多个热冷连接或结点，诸如陶瓷板或涂有陶瓷的金属瓦(shoe)或类似物之类。 

构造这样的薄膜TE元件、模块和装置的新颖方法，包括Bi_xTe_y、Sb_xTe_y和Bi_xSe_y合金(其中，x典型地大约为2，而y则典型地大约为3)的溅射沉积，以及模板的使用，同样被公开。过程可以用于沉积展示了有用的TE性质的n型和p型膜。另外，在某些实施例中，还溅射沉积连接模块的热元件的导电材料。当被沉积到柔性基片上时，这样的膜发现了许多实际用途，其中，几乎任何配置的TE模块都是需要的。 

另外，公开了这样的方法和TE电源(诸如公开的薄膜TE模块和电源之类)，其利用存在于环境中的温差，并且将这些温度差异转换成电能。包括公开的薄膜TE电源的某些实施例在内的各种TE电源收获环境中周围的能量用于提供电能。公开的TE装置利用了特殊环境中的第一和第二温度区域。例如，温度区域能够是展示了普遍温差的自然环境的相邻要素，诸如地面和地面之上的空气或者建筑物中的暖气装置、空气调节装置或通风管道的里面和外面的空气之类。 

尽管大的温差有助于热电装置中电能的生成，但是公开的电源的某些实施例允许环境中电能的生成具有非常微弱的温差。因此，尽管并不意味着限制，第一温度区域和第二温度区域之间的温差可以在0.5 

和100(大约-18℃和38℃)之间或者在0.5和50

(大约-18℃和10℃)之间。公开的TE电源和其他装置超过这些温度范围并且在所有的中间温度范围都是可用的。进一步，公开的TE电源和其他装置在第一和第二区域的相对温度被倒转的应用中是可操作的，例如像下述情况那样：当土壤为第一温度区域并且空气为第二温度区域时，并且这两者处于这样的气候中，其中，土壤在夏天时趋于比空气冷，并且在冬天时趋于比空气热。 

TE电源的某些实施例包含：电源，即公开的热电偶组件(TE模块)；传热热管和除热热管(例如低温和高温热管，其包含例如可冷凝的液体)；接口电子装置，其包括环形电子装置；以及功率调节隔间(compartment)。传热部件和除热部件可以连接到TE模块的热和冷结 点。TE电源的一侧或两侧能够通过诸如传导、对流和/或辐射之类的其他热传输方法加热或冷却。像这样，这些TE电源能够运行以从小的周围温差(例如小于大约5℃，小于大约2℃，或者小于大约1℃)中产生例如100微瓦到100毫瓦的范围内的电功率。贯穿说明书和权利要求书阐明进一步的实施例和描述。 

附图说明

图1a是用于热电能量转换的基本方法的现有技术说明的表示； 

图1b是显示分立TE元件的现有技术布置的示图； 

图1c是显示用于如图1b的装置中显示的那样的单个现有技术TE元件的L/A比率参数的表示； 

图2a显示了公开的n型/p型TE薄膜模块的实施例的部分； 

图2b显示了用于图2a中显示的模块的实施例的单个p型薄膜TE元件的L/A比率参数； 

图3显示了公开的n型/p型TE薄膜模块的实施例的部分； 

图4显示了公开的TE电源的实施例； 

图5显示了公开的TE电源的实施例，其中，关于主轴缠绕如图6显示的那样的TE薄膜模块； 

图6显示了沉积在柔性基片上时的公开的n型/p型TE薄膜模块的实施例； 

图7显示了公开的电源的实施例，其中，如图2a、图3、图6或具有相对较宽的热元件的模块那样的TE薄膜模块的阵列以可折叠的构造折叠； 

图8显示了公开的电源装置的实施例，其中，核热源安置在以可折叠的构造折叠的TE薄膜模块的阵列之间； 

图9a是以阵列的构造沉积在基片上的公开的n型和p型TE薄膜模块的图示，同时具有其代表性的尺度； 

图9b显示了图9a中描绘的TE薄膜模块的实施例中的热元件的代表性尺度； 

图10显示了使用来自热电堆一侧的热量的TE传感器； 

图11是显示赛贝克系数和在溅射沉积的条件下沉积在KAPTON基片上的TE材料的电导率的相关性的曲线图； 

图12a是适合于用在以图2a和图6的TE模块的实施例中显示的构造沉积n型热元件中的代表性掩模的照片； 

图12b是适合于用在以图2a和图6的TE模块的实施例中显示的构造沉积p型热元件中的代表性掩模的照片； 

图12c是适合于用在以图2a和图6的TE模块的实施例中显示的构造沉积传导连接器中的代表性掩模的照片； 

图13是沉积在柔性基片上的公开的n型和p型TE薄膜模块的照片； 

图14显示了沉积在柔性基片上的公开的n型和p型TE薄膜的实施例，其中，n型和p型TE薄膜以串并联的布置连接； 

图15显示了公开的TE电源的实施例； 

图16是显示传感器系统中的公开的TE电源的实施例的方框图； 

图17是使用如图16的构造a那样显示的实施例测量的针对时间标绘的超级电容器电压的曲线图； 

图18是用于收获周围能量的公开的TE电源的实施例的示意图； 

图19是用于收获周围能量的公开的TE电源的实施例的组成部分和电路连接的实施例的方框图。 

具体实施方式

在此公开这样的TE模块，所述TE模块包含：成对的溅射沉积的薄膜热元件；以及导电部件，其使所述热元件串联地或串并联地相互连接。还公开了由诸如TE偶的阵列之类的多个TE偶形成的TE电源装置，其中，薄膜热元件具有大于至少大约20cm^-1或大于大约100cm ^-1的L/A比率，同时某些实施例具有大于1000、10,000甚至更高的L/A比率。 

除非另外指示，表达说明书和权利要求书中使用的成分的量、诸如L和A的值之类的性质、厚度、功率级等等的所有数字，都要被理 解为由术语“大约”修饰，不管是否明确声明。因此，除非相反地明确指示，阐述的数字参数为近似值。 

在图2a中显示了用于形成公开的TE电源100(例如见图4)的多个薄膜TE模块115的一个实施例。图2a描绘了TE电源100的部分135，所述部分135包含基片140上形成的多个TE模块115。TE模块115包含由半导体薄膜形成的成对的n型热元件110和p型热元件120。 

TE模块115的交替的n型和p型热元件110、120可以如图2a中显示的那样相互平行地、如图14中显示的那样串并联地安置，或者可以以其他适当的方式(如下所述)放置。一个n型热元件110和一个p型元件120(通过导电部件105)的电连接形成了完整的单个TE模块115(同样被称作热电偶或偶)。例如，交替地在相邻热元件第一末端125和相邻热元件第二末端130处，导电部件105将n型热元件110连接到p型热元件120(如图2a所示)。 

导电部件105可以基本上垂直于元件110、120，或者可以以任何适当的方式安置，以便串联地或串并联地电连接热元件。在另一种可能的构造中，可以没有分开的导电部件，而是TE p型和n型交替元件可以直接相互连接，例如如图3所示。这样的装置会减少形成TE模块所需的沉积步骤的数目。例如，在另一个实施例中，n型和/或p型材料可以相互成角度地放置，在交替末端处连接，以便它们在热和冷末端处会合——形成Z字形类型构造。在另一个可能的可选择的实施例中，导电部件自己由n型或p型元件形成，并且如图3所示地安置。明显地，单独的TE元件和组成模块的TE元件阵列可以采取无数的构造。 

可以在柔性或刚性基片140上形成TE模块115。 

取决于电源的应用，TE电源100可以包括任何数量的TE偶115。 某些TE电源包含例如从大约500到2000个TE模块115。作为特定例子的应用，在1.0V下具有50μW功率的用于供电温度传感器或者用于供电无线传输装置的TE电源100，可以以每个TE元件为大约1cm长、0.1cm宽和0.0001cm厚的方式使用600到800个n-p热电偶(TE模块115)。设计用来在1.0V下提供100mW的核TE电源会潜在地包括相同数目的热电偶，但是元件更可能为大约0.2cm长、1cm宽和0.0040cm厚。TE电源需要的电压确定了必须的热电偶(TE模块)的数目，并且希望的电流确定了必须的热元件的L/A比率。 

在图4、7和8中显示了完整的TE电源100的可能实施例。除了TE模块的阵列135之外，TE电源还可以包含导热板150、160，诸如基片140的上下边缘上的陶瓷板(如图4所示)、单个陶瓷板、陶瓷瓦或其他适当的包围装置之类。电导线180连接到TE装置100的TE偶的阵列135，以接收并传输装置产生的电能。 

薄膜TE电源100的实施例可以进一步包含热结点(或热源)和冷结点。取决于装置的应用，热结点或热源可以包含任何适当的源，例如化学能源、来自环境的热量或如图8所示的核热源。冷结点可以包含以允许热量从TE电源解除或吸取的方式构造或安置的任何适当的除热机构。例如，冷结点可以包含通过例如对流冷却的布置或暴露于环境的热管。 

在另一个特殊实施例中，TE电源200包含多个TE偶，其形成沉积到柔性基片240上的模块235的阵列(图5)。偶235的阵列以线圈状的方式缠绕，并且安置在热和冷结点250和260之间。阵列模块235可以简单地形成线圈，或者可以关于诸如主轴280之类的装置缠绕。这样的构造提供了甚至更小的TE电源，而不牺牲功率输出。 

如果TE电源应用需要相对大的电流，则优选地使TE阵列的内阻相对地低。为了这样做，可以包括形成具有相对低的L/A值的热元件 膜。为了产生具有较低L/A值的膜，可以沉积并使用相对宽的热元件。图7和8中描绘的TE电源可以使用沉积在诸如聚酰亚胺带之类的柔性基片上的具有相对大的宽度的薄膜热元件。TE模块阵列然后可以以折叠状的布置构造，并且用适当的馈入装置(feedthrough)封装，如图7和8所示。 

如在此公开的那样的TE电源的电流密度将取决于热元件的总数以及用于热元件的L和A的值。换言之，如果特殊的电流密度对于特殊的TE电源是所希望的，那么可以操纵热元件的数目以及L和A的值以满足这样的需求。参考如图3所示构造的实施例，如果沉积热元件以具有1cm的L值、0.1cm的宽度和.0001cm的膜厚度，则基于大约500个这样的热元件的TE电源会产生10微安的电流，而以较宽的热元件的方式，如关于图7和8讨论并且在图7和8中显示的那样，则能够产生100毫安的电流。以任一这样的实施例的方式，都会流出大约1Amp/cm²的电流密度。 

薄膜TE热元件

TE热元件，尽管在大多数的附图中都被描绘为矩形形状，但是可以采取任何适当的形状。明显地，使用矩形形状的热元件，尺度也会取决于正在制造的作为结果的TE电源的最终应用而改变。例如，单独热元件的长度、宽度和厚度的尺度以及元件的数目和阵列构造全都可以被改变(例如见图9a和9b)。n型和p型材料的电阻率可以不同，所以如果希望使总的电阻最小化的话，则能够操纵L/A比率。另外，和n型元件的那些尺度相比，p型热元件可以具有不同的尺度，诸如不同的宽度之类。进而，对于宽度太大而不能容易地折叠或在柔性基片上盘绕的热元件而言，热元件可以被分解为相互并联地并且与相对类型的热元件串联地安置的分开的片，如例如图14中显示的构造(亦即串并联构造)那样。 

用于在0℃到100℃温度范围内发电的一组热电材料是基于 Bi_xTe_y、Sb_xTe_y和Bi_xSe_y的半导体和相关合金，其中，x典型地大约为2，而y则典型地大约为3。x和y的值可以取决于供应给溅射沉积靶的功率(或者等价地来自每个靶的通量)而变化。能够将这样的薄膜热元件材料溅射到多种基片上，诸如允许制造非常紧凑的TE电源的非常有用的柔性基片之类(例如聚酰亚胺膜，如由杜邦公司(DuPontCorporation)在KAPTON商标下当前制造的那样)。 

形成热元件110、120的膜可以在厚度方面变化，但是公开的TE装置的某些实施例包括具有至少0.1mm的厚度的热元件。希望的厚度取决于正在制造的TE电源的最终应用。另外，厚度变化将取决于溅射系统布置，但是典型地落在+/-5％之内。 

热元件110、120可以在面积方面变化，但是公开的TE装置的某些实施例包括具有大于大约50cm^-1的L/A比率的热元件。当然，如上所述，热元件的L和A的值以及/或者其他尺度可以如预期的那样根据作为结果的TE装置的预期应用而变化。用于L、A和厚度值的范围取决于正在制造的最终的TE电源的功率需要。如果希望具有这样的电源，所述电源具有1.0或2.0伏的电压，那么L/A值的选择取决于电流需要。例如，在上述前两个特定实施例中，对于用于传感器的TE电源，L/A值为100,000，而对于核电池，L/A比率则为50。第三个特定实施例包括具有大约在现有技术分立元件的范围内的L/A值的TE热元件模块的阵列。 

用于制造TE热元件的本方法的优点在于，热元件被溅射沉积，并因而与通过包括晶块(crystalline boule)的生长继之以切割的标准方法制造的热元件相比，更加可控制并易于操纵。用于规定热元件L/A比率的这样的现有方法在小规模方面是不切实际的，更不用说在工业规模方面了。因此简单地改变了热元件薄膜的沉积中使用的模板；例如见图12a-12c。 

基于超晶格结构的溅射沉积的薄膜同样能够用于制造热电电源。每个n型和p型膜都能够以下述方式由多层膜结构组成：单独的层近似为10

到200

厚，并且总的膜厚度如对于在此说明的均匀膜说明的那样变化。例如，并且并不意味着限制，n型超晶格膜可以由在周围条件下沉积的分别具有50

和150

的厚度的交替Bi₂Te₃和Sb₂Te₃层组成。p型超晶格结构可以包括类似的结构，但是以不同的基片温度生长。这些膜结构能够具有电导率和赛贝克系数的更大的值以及热导率的更低的值，所有这些都允许改善电源效率。 

基片材料

在某些实施例中，将p型和n型TE热元件沉积到柔性基片上。柔性基片可以是例如聚酰亚胺，诸如KAPTON之类，然而，可以使用任何适当的柔性基片。基片应当能够承受溅射沉积条件而没有不适当的恶化。在其他实施例中，在这样的基片上沉积TE材料，所述基片包含任何适当的足够刚性的基片(例如玻璃或拥有相对低的热导率的其他电绝缘材料)。基本上任何电绝缘基片140(图2a)(或涂有绝缘材料的基片)都可以用于刚性或柔性TE装置，只要所述基片能够承受沉积条件并且能够满足需要的热导率水平。 

导电部件

如上面讨论的那样，通过以下形成TE模块：通过导电部件将薄膜n型热元件电连接到p型热元件。导电部件可以包含任何适当的导电材料。例如，导电部件可以包含金属，诸如铝、金、镍及其混合物之类。在一个特殊的实施例中，导电部件包含基片上形成的镍层以及镍层上形成的金层。 

用于构造薄膜TE元件的方法

通过溅射沉积形成TE薄膜热元件和TE模块。在特殊的实施例中，如图12a-12c中显示的那样使用掩模或模板。可以通过标准的光刻和/或蚀刻技术形成掩模，以控制基片上的每个TE热元件和导电部件的形 状和位置。 

公开的过程允许许多(例如成百、成千或更多)TE热元件偶在诸如KAPTON聚酰亚胺(从杜邦可得到)之类的柔性材料上的沉积。在图2b中显示了代表性的单独的p型TE热元件190，其同样显示了L/A比率。能够用公开的过程制造包含成百的或成千的TE模块的高电压的μW到mW(或更大，例如W)的TE电源。 

参考图11和下面的表1，宽范围的溅射沉积过程参数用于获得具有希望性质的TE热元件材料。具体地，测试无数的溅射气体压力、靶功率、沉积速率、靶-基片距离以及基片温度。下面特别地公开了某些示范性的溅射沉积方法，但是明显地，其他溅射沉积参数可以产生适当的薄膜，用于形成在此公开的TE热元件。 

使用例如RF磁控管溅射，可以溅射沉积形成TE元件的薄膜。可以从3种可能的源中的两种同时沉积所述膜，例如，并且并不意味着限制，Bi₂Te₃、Sb₂Te₃和Bi₂Se₃合金或其组合。供应给靶中每一个的RF功率的量、基片温度和溅射气体压力，对于导致具有预期性质的膜的沉积条件而言是变化的，所述预期性质依次取决于装置的应用。在图11中显示了代表性的薄膜材料参数和溅射条件。下面给出的特定例子不被认为是本公开的限制，而只是代表性的。 

例子1：n型热元件的溅射沉积 

在标准的溅射沉积室中，离Sb₂Te₃(Sb-Te)和Bi₂Te₃(Bi-Te)靶两者5英寸远安置包含KAPTON(以及玻璃基片)的基片。每个靶的测量的直径为2英寸。溅射沉积室被抽排到10^-6托的压力，然后用纯净的氩填充该系统，添加系统溅射气体压力(例如3.0毫托)。 

基片和靶每个都被离子清洗3到5分钟。以30瓦的功率供应给Sb-Te靶以及20瓦的功率供应给Bi-Te靶的方式，在靶之上建立等 离子体。以基片处于环境温度下的方式执行沉积。在这些条件下，沉积速率为3.5

/s。这样一来，为了沉积1微米厚的膜就需要近似47分钟。 

在沉积之后，表征热元件薄膜。用表面光度仪测量厚度。对于沉积的热元件薄膜同样确定电阻率和赛贝克系数，如图11所示。在表1中提供了作为结果的值。 

表1：用于在KAPTON^*上沉积的示范性参数 

基片温度  (℃)	Sb2Te3靶功率(瓦)	Bi2Te3靶功率(瓦)	生长速率    ( /s)	电阻率(ohm    -cm)	赛贝克系数    (μV/℃)
						环境温度	30	20	3.5	0.0122	-131
300	30	10	3.0	0.00325	+158

^*溅射气体压力为3.0毫托；靶具有2.0英寸直径；离基片平台5英寸远安置Sb-Te和Bi-Te靶。 

例子2：p型热元件的溅射沉积 

在标准的溅射沉积室中，离Sb₂Te₃(Sb-Te)和Bi₂Te₃(Bi-Te)靶两者5英寸远安置包含KAPTON(以及玻璃基片)的基片。每个靶的测量的直径为2英寸。溅射沉积室被抽排到10^-6托的压力，然后用纯净的氩填充该系统，添加系统溅射气体压力(例如3.0毫托)。 

基片被离子清洗3到5分钟。然后将基片温度上升到300℃。然后靶表面被离子清洗3到5分钟。以30瓦的功率供应给Sb-Te靶以及10瓦的功率供应给Bi-Te靶的方式，在靶之上建立等离子体。以基片处于300℃的方式执行沉积。沉积速率为3.0

/s。这样一来，为了沉积1微米厚的膜就需要近似55分钟。 

在沉积之后，表征热元件薄膜。用表面光度仪测量厚度。对于沉积的热元件薄膜同样确定电阻率和赛贝克系数。在表1中提供了作为 结果的值。 

如图11所示，基片的温度有效地确定了用于前述例子1和2中沉积的热元件薄膜中的每一个的赛贝克系数。图11中的曲线显示了既对于作为结果的p型材料又对于作为结果的n型材料的当基片温度从环境温度(近似20℃)增加到大约300℃的最终温度时的结果。如图11所示，当对Sb₂-Te₃使用30瓦的功率并且对Bi₂-Te₃使用10瓦的功率以300℃的温度同时溅射Sb₂-Te₃和Bi₂-Te₃时，形成了具有+158的赛贝克系数和0.00325ohm-cm的电阻率的p型材料。相反地，当对Sb₂-Te₃使用30瓦的功率并且对Bi₂-Te₃使用20瓦的功率以环境温度(近似20℃)同时溅射Sb₂-Te₃和Bi₂-Te₃时，形成了具有-131的赛贝克系数和0.0122ohm-cm的电阻率的n型材料。 

尽管端点在图11中被描述为“所希望的”，但是如图11的各个曲线中显示的那样，这些材料中的每一个都取决于基片温度而波动跨越宽范围的赛贝克系数。本领域技术人员会认识到，曲线中显示的那些的中间点会产生令人满意的TE元件。进一步，尽管本领域技术人员会认识到，拥有具有正赛贝克系数的一个薄膜和具有负赛贝克系数的另一个薄膜通常会产生具有更高功率密度的热电装置，但是由于产生热电效应的是任何两个薄膜之间的赛贝克系数的增量，所以给出任何两个薄膜之间的足够增量，热电效应仍然是可期待的，并且因此一个为正而另一个为负不是绝对地决定性的。例如，并且并不意味着限制，大多数金属，例如铜，会具有大约0的赛贝克系数。由于铜是高度传导的，所以使用铜作为薄膜中的一个会产生热电效应，假如另一个薄膜具有或者足够高或者足够低的赛贝克系数的话。由于诸如铜之类的金属通常是高度传导的，所以仅仅使用这样的布置，就能够产生有效的TE装置。因此，本申请中术语“n型”和“p型”的使用应当被理解为在性质上是相对的；并且具有足够赛贝克系数增量的两个高度传导的薄膜的任何构造，都应当被理解为包括在本申请人的术语“n型”和“p型”的使用之中。 

例子3：KAPTON上的热电阵列的制造 

使用如图12a-12c中描绘的那样的掩模，在包含KAPTON的基片上制造如图1a或9a中显示的那样的TE模块阵列。首先沉积p型热元件，因为它们在300℃沉积。下一步沉积n型热元件，然后沉积导电部件。 

具体地，将使用如图12b所示的掩模的KAPTON基片板安置到沉积室中。在掩模的每个末端处使用圆孔，在KAPTON板之上牢固地安置掩模(见图12b)。靶选择和定位以及其他的沉积条件和参数如例子2中所述。 

一旦沉积了预期的p型元件，就停止过程，并且打开溅射沉积系统，以用诸如图12a中描绘的掩模之类的n型掩模置换图12b的p型掩模。再次使用掩模中的圆孔作为引导，在KAPTON板之上仔细地安置n型掩模。靶选择、定位和其他沉积条件如例子1中所述。 

一旦沉积了n型热元件，就再次停止过程以置换n型掩模，并且使用诸如图12c中描绘的掩模之类的金属化掩模以形成导电部件。使用掩模中的圆孔作为引导，在KAPTON板之上安置并固定金属化掩模。通过标准的溅射沉积过程，1.0μm的铝首先被沉积，继之以0.1μm的镍。 

这些沉积过程以图2a、12a-12c和13中显示的构造在柔性基片上产生了p型和n型热元件模块的阵列。 

前述过程中的图12a-12c中显示的特定模板或掩模用于产生KAPTON基片的两个不同的条(strip)上沉积的6个热电偶的两个阵列。这样的TE模块的阵列被例如装配成如图5中显示的那样的TE电源。6个TE模块的阵列的制造会允许在只有20℃的温度梯度下以1.0V输出 的方式产生例如25μW的TE电源。 

利用周围能量的示范性TE电源和应用

如图18所示，用于从具有第一温度区域和第二温度区域的环境中生成电能的TE电源的一个实施例包含热电装置1，其具有第一侧和第二侧，其中，所述第一侧与第一能量传送器2保持联系，所述第一能量传送器2用于传输在第一温度区域中收集或丢弃的周围热能，并且所述第二侧与第二温度区域保持联系，从而产生跨越热电装置的温度梯度，并依次生成电流。除了用于在装置的第一侧传输周围热能的第一能量传送器2之外，TE电源装置的这个实施例进一步使用了第二能量传送器3，用于传输在第二温度区域中收集或丢弃的周围能量，并且与热电装置1的第二侧保持联系。 

没有限制地，用于传输周围能量的传导装置的例子可以包含热管(下面讨论)。术语“传输能量”和/或“传输周围能量”应当被理解为，或单独或组合地，收集周围能量，聚焦周围能量，或者传送周围能量，(其中，通过对流、传导、辐射及其组合能够执行传送周围能量)，并且用于“传输能量”或“传输周围能量”的装置应当被理解为包括对于本领域技术人员已知的任何的广泛的多种装置，其能够或单独或组合地收集周围能量、聚焦周围能量或者传送周围能量，并且其中传送周围能量通过对流、传导、辐射及其组合来执行。作为这些热量(热能)传递选项的例子，通过存在于TE电源安装在其中的诸如管道系统之类的栅栏(barrier)的任一侧的空气或任何其他液体的自然对流，在TE模块或TE电源的热有效表面处，能够传递或丢弃热量。通过热管中发生的传导和对流，能够将热量传递到TE装置或者将热量从TE装置去除。在这种情况下，在管壁中发生传导，并且在热管中包含的内部工作液体中发生对流。TE电源可以在户外操作，在那里主要的热量输入是来自太阳的光子辐射，并且能够在室内操作，例如在那里热瓦通过来自灯的辐射加热。如同样在此使用的那样，“周围”能量是指形成包围装置的环境的介质中可得到的或者通过其传输的能量， 并且被本发明使用以发电。 

无论选择什么样的特殊装置或装置组合用于传输周围能量，在此公开的TE电源的实施例都搜集足够的周围环境中的能量，以向选择的装置或者在特殊的应用中生成有用量的功率。公开的热电电源的一个应用包含TE电源，其放置在展示了普遍温度差异的环境中的两个区域之间的边界处。用于将这些区域中的任一个中的周围能量传输到相对侧的装置，或者热电装置的末端，延伸到各个能量区域中的每一个中，从而放大热电装置经历的实际温差，并且扩大两个能量区域之间的边界。 

用于公开的TE电源的适当的热电装置可以包含例如：1)金属线热电偶，其包括但并不限于铁-康铜；铜-康铜；镍铬合金-镍铝合金；镍铬合金-康铜；铂-铑合金；以及钨-铼合金，2)如上所述的公开的薄膜TE模块和装置的一个或多个实施例，诸如包含串联、并联或串/并联地电连接的交替p和n型阵列的TE模块之类。能够被制备为p型半导体的所有组合都是适当的。可以使用的这样的p型材料的例子包括但不限于碲化铋、碲化铅、碲化锡；锑化锌；锑化铈铁；硅-锗。能够被制备为n型半导体的所有组合都是适当的。可以使用的这样的n型材料的例子包括但不限于碲化铋、碲化铅、锑化钴；硅-锗。 

如上面讨论的那样，用于形成TE电源的热电装置可以包含由作为薄膜溅射沉积在基片上的碲化铋形成的薄膜TE模块的实施例。供这样的电源中使用的其他适当的薄膜TE装置可以包括例如超晶格和量子阱结构。如图18所示，在此公开的TE电源可以提供功率给传感器4，诸如但不限于用于边远地区监视和监测的那些之类，周围条件的测量，诸如边远地区的环境温度、压力、湿度和侵入，以及建筑物环境和能量的测量与控制。 

在此公开的TE电源可以与电池、电容器、超级电容器和/或任何 适当的装置5组合，所述装置5电存储能量，用于交替存储和释放热电装置产生的电能。公开的TE电源和一个或多个传感器4、传送器6、电压放大器7、微处理器8、数据存储装置9、电池或电存储装置5以及电压调节器10的任何其他组合的组合，其中(一个或多个)传感器4、电池或存储装置5、电压放大器7、微处理器8、数据存储装置9、电压调节器10以及传送器6全都最终由来自TE装置1的电能供电，表示了公开的TE电源的潜在实施例。一旦设置到位，这样的装置就能够搜集并且将传感器搜集的数据传输到遥远的地点长达基本上无限的时限并且潜在地长达应用的寿命而不需要进一步的人工干预。 

用于周围能量转换的TE电源的例子

在图19中显示了公开的TE电源的特殊实施例。在这个电路中，由Trenton，New Jersey的MELCOR供应的商用40mm×40mm碲化铋热电元件2附于由Fenton，Missouri的Beckwith Electronics供应的热管1、3。热管中的一个将热能从较暖的周围区域供应到装置的40mm×40mm热瓦侧。第二热管3从位于热电元件相对侧的相应40mm×40mm冷瓦传导热量，并且在较冷的周围区域中驱散该热量。电路进一步包含电压放大器7、超级电容器5、温度传感器4、管理数据获取和存储的微处理器8、电压调节器10以及射频传送器6。 

电压放大器7将热电装置的典型地十分之几伏的原状输出转换成差不多4.3V，用于输入到超级电容器5中。系统可以进一步包括温度传感器4、微处理器8以及传送器6子系统。这个系统当以电热源和周围冷却的方式操作时能够传输温度数据。组件还可以在其他环境中操作，诸如自然环境中的户外之类。冷侧热管3可以埋在土中以提供热沉。可以安置暴露的热侧热管1，以接收来自地面上空气的周围热量和来自太阳光的能量。 

电源及其应用的进一步例子

如上所述，存在若干可能的公开的TE电源及其应用的实施例。例如，公开的薄膜热电偶组件的实施例可以用于形成特别使用热管的TE电源的实施例，如图15所示。这个特殊的热管TE电源实施例可以用作在例如环境温度下可操作的电源。这样的公开的TE电源的实施例可以包含：公开的热电偶组件(TE模块)的实施例；传热部件和除热部件(在特定实施例的这个实施例中，这样的部件可以包含低温和高温热管，其包含例如可冷凝的液体)；接口电子装置，其包括环形电子装置；以及功率调节隔间。热管可以连接到TE模块的热和冷连接。通过诸如传导、对流和/或辐射之类的其他热量传输方法，能够加热或冷却TE电源的一侧或两侧。

一个或多个传感器或者其他应用例如可以通过公开的电源供电。图15中显示的TE环境温度电源实施例能够从小的环境温差(例如小于大约5℃，小于大约2℃，或者小于大约1℃)中产生从大约100微瓦到大约100毫瓦的范围内的功率。例如，公开的TE热管电源可以在这样的环境中操作，在所述环境中，自然温差存在于诸如：地表之上和之下；水对空气的温差；表层(skin)对空气的温差；或者传递供暖的管道系统、通风装置和/或建筑物或设备中的空气调节装置的任一侧。公开的电源的实施例能够在极端的温度环境中操作，例如冷至大约-100℃或热至大约250℃。 

对于广泛范围的远程监视应用，例如建筑物能量管理、自动部件控制、农业监视、安全监测以及野生动物管理而不需要诸如电池和硬连线的可选择的功率解决方案之类的传统电源，使用设计的热量搜集和驱散部件以供电诸如传感器和用于发送传感器生成的数据的射频传送器之类的应用，公开的电源的某些实施例能够从应用的局部环境中直接利用能量。这样的装置向传感器和其他应用提供了基本上不需维护的持续的供电。 

更加具体地，公开的TE电源的实施例可以用于供电这样的传感器，所述传感器用于军事武器扩散控制、战场操作、情报搜集、防护设施和安全活动。公开的电源的实施例可以用于供电这样的传感器，所述传感器用于法律实施远程监视和监测、入侵检测、材料可计算性(material accountability)、走私以及类似的应用。国土安全可以使用公开的TE电源的实施例，用于入侵者感测、检测和报警、边境安全、邮箱、邮局和公共运输中的化学和/或生物武器检测以及用于建筑物的传感器。医院可以使用公开的TE电源的实施例，用于HVAC系统和走廊中的病原体检测器以及患者监视。电源可以供电这样的传感器，所述传感器用于监视土壤、供水、肥料和杀虫剂分布。它们还可以用于跟踪受到威胁的和濒临灭绝的物种、体温激活的假体(prosthetics)、监视器、助听器、通信、便利设施或装饰物品(vanity item)，诸如体温供电的手表、通信设备、电珠宝(electric jewelry)、蜂窝电话、计算机、多个民用和军用的应用中使用的红外/雷达辐射检测器、湿度、热和光传感器，以及用于安全应用，诸如用于登山者、背包者、小孩和宠物的个人跟踪装置之类。 

参考图16中显示的系统，公开了包括公开的TE电源的实施例的环境温度供电的传感器系统的另一个例子。这个组件包含热电电源、热管理子系统、功率调节电子装置、传感器以及射频传送器，并且如马上在下面讨论的那样被测试。 

公开的TE电源的实验操作指示了极好的结果。为了方便起见，使用热气枪模拟输入到热元件的周围热量。在模拟的周围条件下，热电装置的固有电压输出为几百毫伏。这个电压可以被放大到至少3.6V，其对应于由锂电池正常供应以供电射频部件的电压。因为热电输出电压可能太低而不能激活硅基电子功率调节，所以使用锗晶体管的电压放大器可以被包括以向系统提供4.2V输出。超级电容器可以用于存储能量，以便射频级操作，而不管影响热电转换器输出的周围条件波动。 

使用了用于模拟操作传感器和射频标签所需的能量消耗的电阻载荷箱。这个负荷以这样的频率被手工接通大约10秒钟的时期，所述频 率表示射频标签的传输周期，以耗尽等价的总睡眠模式、数据获取和存储以及每个周期中消耗的传输能量。通过分别加热和冷却热电模块的热和冷瓦，并且如上面指示的那样周期性地施加负荷，热电电源显示能够维持电容器电压，并从而供应模拟的温度传感器和每10分钟传输数据的射频标签的能量消耗。 

系统可以进一步包括如图16的构造b中显示的那样的组成部分。传统调节的实验室电源被热电转换器和电压放大器代替，以允许定制传感器和射频子系统。从测量、存储和传输环境温度和冲击日期的射频标签中，使传感器和传送器适应。标签被修改以仅保留温度测量功能，并且被重新编程，以与它未修改的对应部分相比吸取更少的能量。电压调节器电路可以被包括以抑制或基本上防止将电容器消耗到这样的电压，所述电压太低而不能维持微处理器功能。可以添加外部开关以隔离操作射频标签正常所需的电池。标签包括在操作之前编程的微处理器。 

无论何时电源或热电模块没有连接，电池都维持程序。测试这种构造包括首先使用电池以“发起”程序，然后，在功率从可选择的源可得到之后，将其隔离。远程设置的接收器用于确认数据传输。使用图16的构造b的测试顺序证实，当实验室电源向超级电容器提供输入等价于用图16的构造a测量的热电输出特性时，能够维持传感器和射频级的全功能性。 

图17显示了针对时间标绘的超级电容器电压，其是以太阳光输入到热电发生器的热瓦并且泥土中的热沉连接到冷瓦的方式在户外用图16的构造a测量的。这些记录显示了如果跨越装置存在大于大约7℃的温差的话热电电源再充电超级电容器(亦即维持超过3.6V的电压)的能力。与此同时，电容器供应传感器和射频标签系统每10分钟传输数据的需求。成功的再充电特性显示的10分钟间隔处的电压阶跃表示了与估计的负荷周期相关的近似20mJ的能量消耗。9.9℃记录显示了公开 的电源的跨越周围能量可变性的能力，所述周围能量如云层临时减少了太阳光能量输入时的10分钟间隔期间(在30和40分钟之间)再充电的较慢速率显示的那样输入。 

如上所述，公开的TE电源的热管实施例可以用于利用自然温差，如在自由空气和土壤中环境之间存在的那些。在这样的环境中，上热管将从自由空气收获的热能传递到(一个或多个)热电模块的热瓦。下热管将废热能传导到由例如在下面的土壤提供的热沉。明显地，热管能够由多种材料组成，并且可以以各种尺度以各种几何形状形成，如对于特殊的应用所希望的那样，如本领域技术人员已知的那样。 

这个公开的电源双向地，亦即，既当空气比土壤热时又在相反的时候，产生有用的输出。双热管尤其有用，如果装置以双向模式操作的话，尤其是当土壤比空气暖和时。在这种情况下，两个热管作为回流锅炉操作，以泵送热能通过热电模块，并且能够利用内部工作液体到它们各自蒸发器部分的重力辅助返回。 

能量从周围空气收获并且向下通过热电转换器被传导到地下热沉的操作模式能够是许多操作模式中之一。这种模式允许用吸热热瓦延伸置换上热管。然而，下热管中的液体流动是由热电冷瓦下面的蒸发和热量被放弃到土壤的热管的下端处的冷凝产生的。这种模式的操作中的工作液体的再循环可以在管道的里面使用毛细结构，以逆着重力将冷凝物向上回收到蒸发器区域。能够达到大约20cm的毛细升高值，但是毛细升高值受到传统热管工作液体的物理性质限制。 

在这个公开的电源中可以使用包含放置在例如柔性基片上的许多薄膜碲化铋热电元件的公开的热电偶模块。热电模块可以是形成装置核心的小卷轴或线轴上缠绕的薄膜元件的卷起条的形式。通过增加卷上热电元件的数目，公开的电源实施例对于更高的功率级容易地可伸缩。好几万的热电元件可以以串联和/或串/并联的布置纳入，以产生高 达数瓦的装置电输出。 

卷轴的末端可以起到热电偶模块的热和冷瓦的作用。热管可以附在卷轴的末端，以传送热量通过热电模块，例如从空气一侧到电源的土壤中一侧。热管可以使用例如水作为工作液体，除非冻结条件不得不被调节。在这种情况下，能够使用甲醇或诸如其他醇类之类的其他适当液体。 

可以用具有高度吸收性的表面的材料涂敷空气侧热管的外表面，以使太阳辐射以及来自周围空气的可感知的热量的收集最大化。适当的表面处理过的热瓦可以代替空气侧热管。这个实施例可以包括减少部署系统的红外信息特征的优点。可以向下热管的部分施加绝缘，以防止热量从表面附近的相对较暖和的土壤中泄漏到它里面。 

公开的热电电源实施例可以在名义上以在3.3V下100μA的输出的方式生成330μW的直流功率。更低电压的装置可以用dc/dc转换器装配以实现3.3V输出。转换器可以包含例如硅基微电子电路。还能够并入超级电容器以提供能量存储，以当跨越TE发生器的温差小于20℃时维持任务功能。 

尽管已参考多个实施例和例子说明了TE热元件、模块、阵列和电源以及其制造方法及其应用，但是将可以理解，本发明并不限于那些实施例和例子。相反，本发明打算包含如可以包括在如附加的权利要求所规定的那样的本发明的精神和范围之内的那样的所有修改、替换物和等同物。 

Claims (33)

1.一种热电电源，包括：

单个柔性基片，其以线圈、折叠或者缠绕构造，并且其具有上表面；以及

热电偶，其包括：

(a)共同溅射沉积的多个薄膜p型热元件，其安置在所述单个柔性基片的所述上表面上；

(b)共同溅射沉积的多个薄膜n型热元件，其安置在相邻所述p型热元件的所述单个柔性基片的所述上表面上；以及

(c)导电部件，其安置在所述单个柔性基片上，并且使所述p型热元件的第一末端和其一侧相邻的n型热元件的第一末端电连接，且使所述p型热元件的第二末端和其另一侧相邻的n型热元件的第二末端电连接；

(d)其中，所述p型热元件或所述n型热元件由Bi_xTe_y、Sb_xTe_y和Bi_xSe_y合金中的两种同时溅射沉积而形成，其中x大约为2并且y大约为3；以及

(e)其中，所述p型热元件或所述n型热元件具有大于100cm^-1且小于10000cm^-1的长度/面积比率。

2.如权利要求1所述的热电电源，其中，所述p型或所述n型热元件具有大于500cm^-1且小于10000cm^-1的长度/面积比率。

3.如权利要求1所述的热电电源，进一步包括至少50个热电偶，其中，所述热电电源以至少0.25伏的电压的方式具有至少1μW的功率输出。

4.如权利要求3所述的热电电源，其中，所述p型或所述n型热元件至少为1mm长，并且至少为0.1mm宽。

5.如权利要求3所述的热电电源，其中，所述p型或所述n型热元件至少为20埃厚。

6.如权利要求1所述的热电电源，进一步包括至少1000个热电偶，其中，所述热电电源以至少1伏的电压的方式具有1W的功率输出。

7.如权利要求1所述的热电电源，其中，两个或多个p型热元件相互并联地安置并电连接，并且所述并联安置的p型热元件串联地电连接到n型热元件。

8.如权利要求1所述的热电电源，进一步包括在所述柔性基片的所述上表面上串联地电连接的多个热电偶。

9.如权利要求1所述的热电电源，其中，所述热电电源的体积小于10cm³，并且具有从1μW到1W的功率输出。

10.如权利要求1所述的热电电源，其中，所述热电电源的体积小于10cm³，并且提供大于1伏的电压，以及在20℃或者更低的温差下产生功率。

11.如权利要求1所述的热电电源，其中，两个或多个n型热元件相互并联地安置并电连接，并且所述并联安置的n型热元件串联地电连接到p型热元件。

12.如权利要求1所述的热电电源，其中，所述n型热元件是不含硒的。

13.如权利要求1所述的热电电源，其中，所述柔性基片为聚酰亚胺。

14.如权利要求1所述的热电电源，其中，所述p型热元件为超晶格，包含具有和

之间的厚度的交替Bi₂Te₃和Sb₂Te₃层。

15.如权利要求1所述的热电电源，其中，所述n型热元件为超晶格，包含具有和

之间的厚度的交替Bi₂Te₃和Sb₂Te₃层。

16.如权利要求9所述的热电电源，其中，所述共同溅射沉积的薄膜n型热元件与所述p型热元件相邻地交替安置。

17.如权利要求16所述的热电电源，其中，多个所述热电偶串联地或串并联地相互电连接。

18.如权利要求1或权利要求16所述的热电电源，其中，与所述n型热元件相比，所述p型热元件具有不同的宽度。

19.如权利要求1所述的热电电源，进一步包括：

高温热管，其连接到所述热电电源的热连接；以及

低温热管，其连接到所述热电电源的冷连接。

20.如权利要求19所述的热电电源，其中，所述高温热管和所述低温热管进一步包括储存在其内的工作液体，其中，所述工作液体包含水、乙醇或其混合物。

21.如权利要求19所述的热电电源，其中，所述热电电源包含柔性基片上形成的多个热电偶。

22.如权利要求21所述的热电电源，其中，关于卷轴缠绕所述柔性基片，所述卷轴起到所述热电电源的所述热连接和/或所述冷连接的作用。

23.如权利要求19所述的热电电源，其中，所述高温热管进一步包括其外表面上的涂料，所述涂料能够吸收热能，并且能够吸收太阳辐射。

24.如权利要求19所述的热电电源，其中，所述低温热管进一步包括其外表面上的绝缘，以减少热能从所述低温热管外面向所述低温热管里面的传送。

25.如权利要求1所述的热电电源，进一步包括：

卷轴，其具有第一末端和第二末端，并且关于所述卷轴缠绕所述柔性基片；

低温部件，其热连接到所述卷轴的所述第一末端；以及

高温部件，其热连接到所述卷轴的所述第二末端，其中，所述低温和高温部件向所述并且从所述热电偶传送热量。

26.如权利要求25所述的热电电源，其中，所述低温部件和所述高温部件分别包含第一和第二热管。

27.如权利要求26所述的热电电源，其中，所述第一和第二热管进一步包括其内的工作液体，其中所述工作液体包含水、乙醇或其混合物。

28.如权利要求27所述的热电电源，其中，所述第一和第二热管中的所述工作液体在其之内再循环。

29.如权利要求27所述的热电电源，其中，所述薄膜p型热元件和所述薄膜n型热元件包含溅射沉积的Bi_aTe_b，其中a大约为2并且b大约为3。

30.如权利要求25所述的热电电源，其中，所述热电电源能够用跨越大于7℃的所述热电电源的温差生成并维持等于或大于3.6V的电压。

31.如权利要求25所述的热电电源，其中，所述热电电源能够在大于250℃的温度环境中操作。

32.如权利要求25所述的热电电源，其中，所述热电电源能够在小于-100℃的温度环境中操作。

33.如权利要求1所述的热电电源，其中，所述p型或n型热元件具有至少0.1cm的宽度。

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