CN208225913U - 柔性热电器件 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了柔性热电器件，是在第一柔性基板和第二柔性基板上分别设置图形化电极，然后将多个交错且呈间隔排列组合的N型和P型半导体热电单元分别与第一、第二柔性基板上电极连接，使各N型和P型半导体热电单元构成电串联、热并联结构并夹设于第一、第二柔性基板之间。进一步地，还可在第一柔性基板或/和第二柔性基板上按照N型和P型半导体热电单元电连接区域切割而形成多个隔断，从使柔性热电器件具有多向可弯曲的特性。本实用新型柔性热电器件温度变化而产生的热应力小，可根据热源即时变形为各种不同的形状，与热源的结合度高，且结构简单，成本低廉。柔性基板作为热电元件的载体，还可有效保护热电元件，延长了器件的使用寿命。

Description

柔性热电器件

技术领域

本实用新型属于热电转换技术领域，尤其涉及一种柔性热电器件。

背景技术

近年来，随着全球性资源的不断紧缺与对环保的要求日益提高，对能源利用的要求也越来越高。近年来热电转换作为环境友好的新能源技术，在国内外受到广泛关注与研究。根据Seebeck效应原理的热电技术，可以利用不同形式的热源，将热能转换为电能，其具有清洁无污染、无机械振动、可靠性高等优点，其在工业余热、太阳能的红外热源、沙漠的地表热量、汽车尾气废热利用等领域具有非常广阔的应用前景，对整个社会资源的重复利用和节约资源具有深远的意义。

目前传统的热电器件主要采用不可弯曲、脆性较大的陶瓷基板为基体，只适用于平面热源的利用。然而，目前大量的汽车尾气废热，工业余热的热源皆为圆柱状，直角状等复杂曲面形热源，陶瓷基板的不可弯曲特性，使得传统热电器件不能完全附着于热源上，热接触效果较差，不适用于目前存在的各种具有复杂的形状的热源的利用。

而国内外报道的柔性热电器件大部分为有机热电器件，这些有机材料的热电优值较低且材料制备工艺不成熟，故有机柔性热电器件的性能较差，尚不适合应用。而采用无机半导体块状热电材料改善器件制备工艺，使其具有柔性是目前较为现实的方法。但是这种方法，采用空隙较大的紫铜网与硅胶，极大的较低了器件的电传导及热传导特性，提高了接触电阻和接触热阻，同时制备工艺繁琐复杂，制造成本高，且电极的结合强度较低，器件的机械稳定性较差。

因此该领域急需开发一种新的可以利用不同形状的热源，同时便于生产、具有优良性能的柔性热电器件。

发明内容

本实用新型的目的在于克服上述现有技术的不足，提供了一种柔性热电器件，可根据热源即时变形为各种不同的形状，与热源的结合较好，便于各种不同形式的热源的利用，且结构简单，成本低廉。

本实用新型提供的柔性热电器件，包括：

热电元件，包括多个交错且呈间隔排列组合的N型半导体热电单元和P型半导体热电单元；

第一柔性基板，其中一表面具有与各所述N型半导体热电单元和所述P型半导体热电单元对应的第一电极，所述第一电极与各所述N型半导体热电单元和所述P型半导体热电单元的一端面对应连接；

第二柔性基板，其中一表面具有与各所述N型半导体热电单元和所述P型半导体热电单元对应的第二电极，所述第二电极与各所述N型半导体热电单元和所述P型半导体热电单元的另一端面连接而使各所述N型半导体热电单元和所述P型半导体热电单元夹设于所述第一柔性基板和所述第二柔性基板之间而使各所。

作为本实用新型柔性热电器件可选的结构，于所述第一柔性基板或/和所述第二柔性基板上，还具有可按所述N型半导体热电单元和所述P型半导体热电单元电连接区域、通过切割方式而形成的至少一隔断。

作为本实用新型柔性热电器件可选的结构，所述第一柔性基板和所述第二柔性基板是采用聚酰亚胺柔性材料制成的板状构件。

作为本实用新型柔性热电器件可选的结构，所述N型半导体热电单元和所述P型半导体热电单元是采用Bi₂Te₃、MgSi₂、Mg₃Sb₂、GeSi、PbTe或CoSb₃材料制成的片状构件；或者是采用half-hesuler或有机热电材料制成的片状构件。

作为本实用新型柔性热电器件可选的结构，所述N型半导体热电单元和所述P型半导体热电单元通过焊接方式与所述第一柔性基板和所述第二柔性基板连接固定。

作为本实用新型柔性热电器件可选的结构，各所述N型半导体热电单元和所述P型半导体热电单元与所述第一电极和所述第二电极连接的表面设有隔离层。

作为本实用新型柔性热电器件可选的结构，所述隔离层为Ni、Co、Fe、In、 Pt、Ag、Au、Ti或Zn中任一种单质的金属层，或上述两种及两种以上金属组成的合金层。

作为本实用新型柔性热电器件可选的结构，所述N型和所述P型半导体热电单元尺寸为长0.1-5mm，宽0.1-5mm，高0.05-5mm。

本实用新型提供的可柔性热电器件，是由较小的热电材料单元组合构成，与现有的热电器件相比，由温度变化而产生的热应力小，无复杂的整体热电元件加工，简化了器件的加工制备工艺，且大大提高了器件工作的稳定性。本实用新型采用第一柔性基板和第二柔性基板构建，可根据热源的需要即时弯曲或变形，与热源的结合较好，便于各种不同形式、各种复杂的形状的热源的利用，因而具有非常广泛的使用范围。同时，柔性基板还可作为热电元件的载体，可显著提高热电器件和热源的热交换效率，还可有效保护热电元件，防止了工作过程中的污染与机械损坏，延长了器件的使用寿命，具有长期使用稳定性。进一步地，在第一柔性基板或/和第二柔性基板上形成多个切割的隔断，可使整个柔性热电器件具有更多的变形区域和更大的变形量，从而使之具有多向可弯曲变形的特性，可适合更多、更复杂形状的热源。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型提供的柔性热电器件的结构实施例断面示意图；

图2为本实用新型提供的柔性热电器件的结构实施例切割后得到的任意弯曲和变形断面示意图；

图3为本实用新型提供的带有切割线的第一柔性基板结构俯视图；

图4为本实用新型提供的带有切割线的第二柔性基板结构俯视图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

还需要说明的是，本实用新型实施例中的“长度方向”、“宽度方向”、“上”、“下”、“内”、“外”、“一表(端)面”或“另一表(端)面”等方位用语，仅是互为相对概念或是以产品的正常使用状态为参考的，或者是基于附图展示的位置而参考的，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不应该认为是具有限制性的。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

参见图1，本实用新型提供了一种柔性热电器件实施例结构，包括第一柔性基板1、第二柔性基板3和热电单元5，所述热电元件5包括多个采用热电材料切割形成的统一规格尺寸的N型半导体热电单元51和P型半导体热电单元 52，所述N型半导体热电单元51和P型半导体热电单元52成对设置，且相互交错呈间隔排列，可同时纵向交错和横向交错间隔排列，排列后组合构成热电元件5，且沿其长度或宽度方向形成间隔相对的第一端面54和第二端面53；所述第一柔性基板1其中的一表面11具有多个形成区域，可形成图形化区域布局的多个具有一定间隔的第一电极2，各所述第一电极2与N型半导体热电单元 51和P型半导体热电单元52的排列方式相适配，且略大于N型半导体热电单元51和P型半导体热电单元52尺寸。所述第一电极2固定于第一柔性基板1 后，其具有向外的表面21，该表面21与N型半导体热电单元51和P型半导体热电单元52上的第一端面54对位连接固定，即排列后的N型半导体热电单元 51和P型半导体热电单元52分别贴合固定在各第一电极2之表面21上。同时，所述第二柔性基板3的表面31上亦具有多个形成区域，可形成图形化区域布局的多个具有一定间隔的第二电极4，用以连接热电单元5的第二端面53。同样地，各第二电极4与N型半导体热电单元51和P型半导体热电单元52的排列方式一致，且略大于N型半导体热电单元51和P型半导体热电单元52尺寸，但相对第一电极2错位设置，即第一电极2相对上述第二电极4于一个N型半导体热电单元51或P型半导体热电单元52错位排列。连接时，使所述第二电极4上与热电单元5相对的表面41与热电单元5上的第二端面53对位固定连接。由于第一电极2相对于第二电极4错位排列，故可使各N型半导体热电单元51和P型半导体热电单元52之间形成电串联、热并联连接结构。且由于第一柔性基板1和第二柔性基板3具有可变形之柔性，而夹设固定于第一柔性基板1和第二柔性基板3之间的N型半导体热电单元51和P型半导体热电单元 52尺寸小，且呈间距排列，故可随着第一柔性基板1和第二柔性基板3的变形而变形，从而使本实用新型热电器件形成可与热源外表面形状适配的柔性结构。

从上述柔性热电器件结构可以看到，本实用新型热电单元5是由多个较小规格的N型半导体热电单元51或P型半导体热电单元52组合连接构成，只需将热电材料加工成规格统一的结构尺寸即可，不需要采用复杂的热电单元成型设备加工或是将热电单元加工制成与热源匹配的形状，使器件的加工制备工艺大大简化，成本低廉，且由于热电单元结构简单，由温度变化而产生的热应力小，从而大大提高了器件工作的稳定性。进一步地，由于热电单元单片的规格尺寸小，且呈间隔设置，可根据需要设计排列组合即可，方便与第一柔性基板 1和第二柔性基板3的连接，有利于第一柔性基板1和第二柔性基板3的变形。同时，第一柔性基板1和第二柔性基板3采用柔性材料制成，与热源外表面适配性非常强，还可作为热电单元的载体，有效固定和保护热电单元，防止工作过程中的污染与机械损坏，延长了器件的使用寿命，具有长期使用的稳定性。

本实用新型与热源的结合度较高，有利于各种不同形式的热源利用，能显著提高热电器件和热源的热交换效率。由于热电单元排布结构简单，与现有的器件制备工艺契合度较高，易于现有的加工技术改进革新。

进一步参见图2-图4，本实用新型还可根据热源形状或/和实际需要，在第一柔性基板1或第二柔性基板3上，设置至少一隔断6，或者同时在第一柔性基板1和第二柔性基板3不同的位置，设置多个隔断6，该隔断6可通过切割方式形成，具体可按N型半导体热电单元51和P型半导体热电单元52电连接区域进行，以保证各N型半导体热电单元51和P型半导体热电单元52之间的电串联、热并联连接结构不分离。这种结构设置，由于第一柔性基板1或/和第二柔性基板3上具有多个切割的隔断，而柔性热电器件整体并不断开，这样，可进一步使整个柔性热电器件具有更多的变形区域和更大的变形量，从而使之具有多向可弯曲变形的特性，可适合更多、更复杂形状的热源，且这种结构是在上述结构的基础上根据需要即时切割加工而获得，简单、快捷而方便，与热源贴合度更高。

本实用新型实施例结构中，所述N型半导体热电单元51和P型半导体热电单元52均选用下述热电材料中的一种：Bi₂Te₃、MgSi₂、Mg₃Sb₂、GeSi、PbTe或 CoSb₃材料制成；或者是采用half-hesuler或有机热电材料制成等。将上述材料制成片状构件，然后切割成长0.1-5mm，宽0.1-5mm，高0.05-5mm的片状热电单元即可。所切割的N型半导体热电单元51和P型半导体热电单元52为最简单片状结构，规格尺寸小，便于加工，呈间隔排列时容易随第一柔性基板1 和第二柔性基板3变形，能够达到较小的曲率半径，可适用于各种不同热源外形尺寸。

本实用新型实施例结构中，所述第一柔性基板1和第二柔性基板3均采用聚酰亚胺柔性材料制成的板状构件，具有可弯曲性，热塑性好，高温达400℃以上不变形，且具有较高的绝缘性能，非常适于制作热电器件的柔性衬底。可以理解地，所述的第一柔性基板1和第二柔性基板3也可采用其他柔性材料制作，只要能够很好地承载热电单元5且能够具有良好的热塑性及热传导性能，皆是本实用新型的保护范围。

本实用新型实施例结构中，所述N型半导体热电单元51和P型半导体热电单元52之与第一电极2连接的第一端面54和与第二电极4连接的第二端面53 设有隔离层(未图示)。该隔离层可为Ni、Co、Fe、In、Pt、Ag、Au、Ti或 Zn中任一种单质的金属层，或上述两种及两种以上金属组成的合金层，优选镍层，其可通过喷涂、电镀或磁控溅射方式加工。镍金属的热导率和电导率都很高，性质稳定，有利于热传递，且热电材料热膨胀系数相匹配，还适用于滴加焊料，便于与第一电极2和第二电极4固定连接，还可有效保护热电单元5，可防止焊料在高温下扩散进入热电单元5。可以理解地，所述的隔离层并不限于上述列出的，也可以采用其他方式形成，只要能够有利于N型半导体热电单元51和P型半导体热电单元52与第一电极2和第二电极4连接、能够与热电材料热膨胀系数匹配且有利于电和热传导即可。

上述柔性热电器件制备方法，包括下述步骤：

S1选取n/p型Bi₂Te₃、MgSi₂、Mg₃Sb₂、PbTe、CoSb₃、GeSi基热电材料片、 half-hesuler材料片或有机热电材料片，然后根据目标物体外形尺寸按照长 0.1-5mm，宽0.1-5mm，高0.05-5mm的尺寸切割形成片状的N型半导体热电单元51和P型半导体热电单元52。

该步骤可在电镀后进行，可在热电材料片上镀0.04-0.6mm厚的镍层，然后再切割成热电单元。

S2根据N型半导体热电单元51和P型半导体热电单元52尺寸分别在第一柔性基板1和第二柔性基板3上加工图形化第一电极2和第二电极4。

该步骤中，第一电极2和第二电极4尺寸应略大于N型半导体热电单元51 和P型半导体热电单元52尺寸，以保证每个第一电极2和第二电极4的尺寸能够完全覆盖每一对N型半导体热电单元51和P型半导体热电单元52。且各第一电极2和第二电极4根据热电元件5的排列而对应，使第一电极2相对第二电极4具有一个N型半导体热电单元51或P型半导体热电单元52的错位排列设置。

S3根据第一柔性基板1(也可以是第二柔性基板3)尺寸加工一与第一电极2尺寸排列尺寸适配的不锈钢多孔钢网，然后将网格覆盖于第一柔性基板1 之第一电极2的表面21上，并在各小孔内滴加连接料(本实施例选用熔点为 138℃的Sn42/Bi58焊料)于第一电极2上，然后将多个N型半导体热电单元 51和P型半导体热电单元52交替排列放置于上述网格内，并使各N型半导体热电单元51和P型半导体热电单元52之第一端面54与所述第一电极2贴合，利用红外加热器，加热至170℃—180℃进行焊接，使各N型半导体热电单元51 和P型半导体热电单元52与所述第一电极2之表面21对应连接。当各N型半导体热电单元51和P型半导体热电单元52牢牢固定于第一柔性基板1上后，将网格移除。

该步骤主要是通过回流焊接方式使第一柔性基板1与N型半导体热电单元 51和P型半导体热电单元52的第一端面54连接。可以理解地，第一柔性基板 1与N型半导体热电单元51和P型半导体热电单元52的连接方式不仅仅限于焊接一种方式，只要能够保证第一柔性基板1与N型半导体热电单元51和P 型半导体热电单元52可靠地连接且能够保证电、热传递性能即可。

S4将网格再覆设在第二柔性基板3上，使各小孔与第二电极4对应，并使第二电极4相对第一柔性基板1上第一电极4错位相对，然后在所述第二电极4上滴加熔点为138℃的Sn42/Bi58焊料，再将第二柔性基板3上第二电极4 与N型半导体热电单元51和P型半导体热电单元52之第二端面53贴合，然后利用红外加热器，将焊料加热至170℃—180℃，使第二柔性基板3与各N型半导体热电单元51和P型半导体热电单元52第二端面53焊接连接。连接后，N 型半导体热电单元51和P型半导体热电单元52组合排列后夹设在第二柔性基板3和第一柔性基板1之间，且每一行N型半导体热电单元51和P型半导体热电单元52通过第二电极4和第一电极2形成电串联结构，每一列形成热并联结构(参见图1)。

同样地，本步骤中，第二柔性基板3与N型半导体热电单元51和P型半导体热电单元52的连接方式不仅仅限于焊接一种方式，只要能够保证第二柔性基板3与N型半导体热电单元51和P型半导体热电单元52可靠地连接且能够保证电、热传递性能即可。

进一步参见图2-图4，上述步骤完成之后，还可根据热源的尺寸需要，在第一柔性基板1或/和第二柔性基板3上，按N型半导体热电单元51和P型半导体热电单元52电连接区域进行切割，即按照N型半导体热电单元51和P型半导体热电单元52的电串联结构区域切割(第一电极2和第二电极4不能被切断，整体也不能被切断)。如图3或图4所示，可按图示所示的切割线A或B 进行切割，使第一柔性基板1或第二柔性基板3上形成多个隔断6，第一柔性基板1或第二柔性基板3整体上并不完全连接在一起。这样，由隔断6断开的部分因为没有牵扯而可根据需要张开成一定的角度，从而使整个柔性热电器件具有多向可弯曲的特性(见图2)。

需要说明的是，上述图示实施例为本实用新型柔性热电器件制备过程，实际使用时，可根据热源结构选择多段柔性热电器件组合设置，非常方便。且由于本实用新型热电单元5采用尺寸规格较小的片状热电单元构成，组合后可形成各种形状，故本实用新型柔性热电器件的形状不局限于上述实施例所述的多段弧形，也可以是直角形、多边形、圆锥形或其他异形等，可以根据需要在生产和加工过程中预先切割形成一定规格的尺寸，以实现工业化批量生产的需要，然后根据现场需要即时组合为各种不同的形状，因而具有非常广泛的使用范围，能够满足各种不同热源的需要，对推动的资源的利用、降低环境污染有着十分重要的意义。

以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.柔性热电器件，其特征在于，包括：

热电元件，包括多个交错且呈间隔排列组合的N型半导体热电单元和P型半导体热电单元；

第一柔性基板，其中一表面具有与各所述N型半导体热电单元和所述P型半导体热电单元对应的第一电极，所述第一电极与各所述N型半导体热电单元和所述P型半导体热电单元的一端面对应连接；

第二柔性基板，其中一表面具有与各所述N型半导体热电单元和所述P型半导体热电单元对应的第二电极，所述第二电极与各所述N型半导体热电单元和所述P型半导体热电单元的另一端面连接而使各所述N型半导体热电单元和所述P型半导体热电单元夹设于所述第一柔性基板和所述第二柔性基板之间而使各所述N型半导体热电单元和所述P型半导体热电单元构成电串联、热并联结构。

2.如权利要求1所述的柔性热电器件，其特征在于，于所述第一柔性基板或/和所述第二柔性基板上，还具有可按所述N型半导体热电单元和所述P型半导体热电单元电连接区域、通过切割方式而形成的至少一隔断。

3.如权利要求1所述的柔性热电器件，其特征在于，所述第一柔性基板和所述第二柔性基板是采用聚酰亚胺柔性材料制成的板状构件。

4.如权利要求1所述的柔性热电器件，其特征在于，所述N型半导体热电单元和所述P型半导体热电单元是采用Bi₂Te₃、MgSi₂、Mg₃Sb₂、GeSi、PbTe或CoSb₃材料制成的片状构件；或者是采用half-hesuler或有机热电材料制成的片状构件。

5.如权利要求1所述的柔性热电器件，其特征在于，所述N型半导体热电单元和所述P型半导体热电单元通过焊接方式与所述第一柔性基板和所述第二柔性基板连接固定。

6.如权利要求1所述的柔性热电器件，其特征在于，各所述N型半导体热电单元和所述P型半导体热电单元与所述第一电极和所述第二电极连接的表面设有隔离层。

7.如权利要求6所述的柔性热电器件，其特征在于，所述隔离层为Ni、Co、Fe、In、Pt、Ag、Au、Ti或Zn中任一种单质的金属层，或上述两种及两种以上金属组成的合金层。

8.如权利要求1-7任一项所述的柔性热电器件，其特征在于，所述N型和所述P型半导体热电单元尺寸为长0.1-5mm，宽0.1-5mm，高0.05-5mm。