DE102004048220A1

DE102004048220A1 - Kontaktierung thermoelektrischer Materialien durch Ultraschallschweißen

Info

Publication number: DE102004048220A1
Application number: DE102004048220A
Authority: DE
Inventors: Hans-Josef Dr. Sterzel; Klaus Dr. Kühling
Original assignee: BASF SE
Current assignee: BASF SE
Priority date: 2004-09-30
Filing date: 2004-09-30
Publication date: 2006-04-06
Also published as: WO2006037498A2; TW200620721A; WO2006037498A3

Abstract

Die Erfindung betrifft die temperaturstabile Kontaktierung von halbleitenden Legierungen zum Einsatz in thermoelektrischen Generatoren und Peltier-Anordnungen durch Ultraschallschweißen sowie Verfahren zur Herstellung von thermoelektrischen Modulen, vorzugsweise unter Verwendung einer Barriereschicht aus Boriden, Nitriden, Carbiden, Phosphiden und/oder Siliciden.

Description

Die Erfindung betrifft die temperaturstabile Kontaktierung von halbleitenden Legierungen zum Einsatz in thermoelektrischen Generatoren und Peltier-Anordnungen mittels Ultraschallschweißen sowie Verfahren zur Herstellung von thermoelektrischen Modulen, vorzugsweise unter Verwendung einer Barriereschicht aus Boriden, Nitriden, Carbiden, Phosphiden und/oder Siliciden.

Thermoelektrische Generatoren und Peltier-Anordnungen als solche sind seit langem bekannt. p- und n-dotierte Halbleiter, die auf einer Seite erhitzt und auf der anderen Seite gekühlt werden, transportieren elektrische Ladungen durch einen äußeren Stromkreis. Durch diese thermoelektrischen Generatoren kann an einem Verbraucher im Stromkreis elektrische Arbeit verrichtet werden. Peltier-Anordnungen kehren den zuvor beschriebenen Prozess um.

Einen guten Überblick über thermoelektrische Effekte und Materialien gibt z. B. Cronin B. Vining, ITS Short Course on Thermoelectricity, Nov. 8, 1993 Yokohama, Japan.

Gegenwärtig werden thermoelektrische Generatoren in Raumsonden zur Erzeugung von Gleichströmen, für den kathodischen Korrosionsschutz von Pipelines, zur Energieversorgung von Leucht- und Funkbojen sowie zum Betrieb von Radios und Fernsehapparaten eingesetzt. Die Vorteile der thermoelektrischen Generatoren liegen in ihrer äußersten Zuverlässigkeit: So arbeiten sie unabhängig von atmosphärischen Bedingungen wie Luftfeuchte; es erfolgt kein störungsanfälliger Stofftransport, sondern nur ein Ladungstransport; der Betriebsstoff wird kontinuierlich – auch katalytisch ohne freie Flamme – verbrannt, wodurch nur geringe Mengen an CO, NO_x und unverbranntem Betriebsstoff frei werden; es sind beliebige Betriebsstoffe einsetzbar von Wasserstoff über Erdgas, Benzin, Kerosin, Dieselkraftstoff bis zu biologisch erzeugten Kraftstoffen wie Rapsölmethylester.

Damit passt sich die thermoelektrische Energiewandlung äußerst flexibel in künftige Bedürfnisse wie Wasserstoffwirtschaft oder Energieerzeugung aus regenerativen Energien ein.

Eine besonders attraktive Anwendung wäre der Einsatz zur Wandlung in elektrische Energie in elektrisch betriebenen Fahrzeugen. Insbesondere bräuchte hierfür keine Änderung am vorhandenen Tankstellennetz vorgenommen zu werden.

Thermoelektrisch aktive Materialien werden im Wesentlichen anhand ihres Wirkungsgrades bewertet. Kennzeichnend für thermoelektrische Materialien ist diesbezüglich der so genannte Z-Faktor (figure of merit):

mit dem Seebeck-Koeffizienten S [μV/Grad], der elektrischen Leitfähigkeit σ [Ω^–1·cm^–1] und der Wärmeleitfähigkeit κ [mW/cm·Grad]. Gesucht werden dabei thermoelektrische Materialien, die eine möglichst geringe Wärmeleitfähigkeit, eine möglichst große elektrische Leitfähigkeit und einen möglichst großen Seebeck-Koeffizienten aufweisen, so dass der figure of merit einen möglichst hohen Wert annimmt.

Für die Umwandlung thermischer Energie in elektrische beträgt der Wirkungsgrad η.

mit

T_hoch: = Temperatur der erhitzten Seite des Halbleiters
T_niedrig: = Temperatur der gekühlten Seite des Halbleiters

(siehe auch Mat. Sci. and Eng. B29 (1995) 228).

Aus diesem Zusammenhang geht hervor, dass insbesondere thermoelektrische Generatoren dann mit einem hohen Wirkungsgrad arbeiten, wenn die Temperaturdifferenz zwischen heißer und gekühlter Seite möglichst groß ist. Dies bedingt einerseits eine möglichst große Temperaturbeständigkeit des thermoelektrischen Materials – d. h. ein möglichst hoher Schmelzpunkt und möglichst keine Phasenumwandlungen im Anwendungstemperaturbereich – wie auch besonders hohe Anforderung an die Kontaktierung der thermoelektrischen Materialien.

Das Kontaktmaterial soll zur Vermeidung von Verlusten eine möglichst große elektrische und thermische Leitfähigkeit aufweisen. Die mechanische Festigkeit soll möglichst groß sein, das Kontaktmaterial darf sich im Betrieb nicht ablösen, es darf nicht abplatzen.

Es darf auch nicht – und dies ist besonders bei hohen Arbeitstemperaturen kritisch – ganz oder teilweise in die Halbleiter eindiffundieren. In diesem Fall würden dort die Zusammensetzung geändert und die thermoelektrischen Eigenschaften in stark negativer Weise erniedrigt werden.

Diese Problematik zeigt sich beispielsweise leicht beim Bleitellurid als thermoelektrischem Material (s. Review of Lead-Telluride Bonding Concepts, Mat. Res. Soc. Symp. Proc., Vol. 234, 1991, Seiten 167-177):
Nahezu jedes als Lotkomponente in Frage kommende Element reagiert mit Tellur, wodurch das empfindliche Pb : Te-Verhältnis unzulässig geändert wird. Dies betrifft auch Dotierstoffe, wodurch beispielsweise ein n-leitendes Material in ein p-leitendes und umgekehrt überführt wird.

Als Lösungen werden beispielsweise formstabile, federnde Kontaktierungen diskutiert, die aber sowohl teuer wie auch unreproduzierbar in der flächigen Kontaktierung selbst sind.

Nach dem Stand der Technik sind Lötverfahren bevorzugt mit den Vorteilen, dass das Löten 100 bis 200 °C unterhalb der Schmelztemperatur der Halbleiter stattfindet und dass das flüssige Lot auch kleine Risse und Unebenheiten in vorteilhafter Weise ausfüllt, was eine hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit ergibt.

Lote nach dem Stand der Technik sind üblicherweise Legierungen, die Bismut, Antimon, Zinn, Blei, Kupfer und/oder Silber enthalten. Die Schmelzpunkte liegen üblicherweise unterhalb von 400°C.

Es sind keine Lötverbindungen bekannt, die oberhalb 400 °C diffusionsfest wären. Im Gegenteil: Eine Randbedingung für eine gute Lötverbindung besteht darin, dass zumindest eine Legierungskomponente des Lots in die zu verbindenden Werkstoffe eindiffundiert.

Damit wird ausgesagt, dass es von vornherein keine hochtemperaturstabilen, diffusionsfesten Lötverbindungen gibt.

Offensichtlich deshalb wurde bereits vorgeschlagen, zwischen das Kontaktmaterial und die Halbleiter eine Barriereschicht einzubringen (M. E. Thomas et al., The Potential of Using Refractory Metals and Barrier Layers to Generate High Temperature Interconnects, VLSI Multilevel Interconnection Conference Proceedings, Fifth International IEEE, 1988). Diskutiert werden Barriereschichten aus Nickelphosphiden, Nickelboriden und eine zusätzliche Schicht aus Gold.

Dennoch erfordern auch Barriereschichten zur Verbindung mit dem Kontaktmaterial ein zusätzliches Lot, das die Aufgabe hat, die Barriereschicht fest mit dem Kontaktmaterial zu verbinden.

Auch Schweißverbindungen werden diskutiert. Beim Schweißen besteht der Vorteil, dass kein zusätzlicher Werkstoff als Lotmaterial zwischen Kontaktmaterial und Halbleiter eingebracht wird. Allerdings wird bei klassischen Schweißverfahren der Halbleiter zumindest kurzzeitig teilweise aufgeschmolzen mit den Nachteilen, dass beim Erkalten die aufgeschmolzene Schicht mit einem anderen Gefüge rekristallisiert und dass die Diffusion von Kontaktwerkstoff in die Schmelze extrem groß ist.

Das Verfahren des Ultraschallschweißens findet technisch derzeit hauptsächlich Anwendung im Bereich der Fügetechnik von Nichteisenmetallen, Metallen und Stählen sowie bei Verbindungen zu oxidischen Keramiken und beim Schweißen von Kunststoffen, besonders Thermoplasten.

Eine Anwendung des Ultraschallschweißens bei der Fertigung thermoelektrischer Module ist hinsichtlich der elektrischen Kontaktierung von Bi₂Te₃-basierten Bauteilen zu Kupfer und Kupfer/Aluminium-Blechen in JP 2001267642 A beschrieben. Bi₂Te₃ besitzt mit ca. 573°C einen relativ niedrigen Schmelzpunkt. Aufgrund dieses niedrigen Schmelzpunktes ist eine Verwendung von thermoelektrischen Bauteilen, die Bi₂Te₃ enthalten, für Generatoranwendungen auszuschließen. Aufgrund seiner Schichtstruktur neigt es zudem zum Delaminieren.

Aufgabe der Erfindung war es, ein geeignetes Verfahren zur Kontaktierung thermoelektrisch halbleitender Materialien mit dem eigentlichen Kontaktmaterial zur Verfügung zu stellen, das auch bei erhöhten Temperaturen von oberhalb 400°C sowohl eine sichere mechanische Verbindung als auch konstante, gute Langzeiteigenschaften des thermoelektrischen Materials gewährleistet.

Die Aufgabe wurde dadurch gelöst, dass man das thermoelektrisch halbleitende Material, das mit einer geeigneten Barriereschicht versehen sein kann, mit dem eigentlichen Kontaktmaterial durch Ultraschallschweißen verbindet.

Gegenstand der Erfindung sind somit thermoelektrische Module, die dadurch gekennzeichnet sind, dass das thermoelektrisch halbleitende Material mit dem eigentlichen Kontaktmaterial durch Ultraschallschweißen verbunden ist.
Gegenstände der Erfindung sind weiterhin ein Verfahren zur Herstellung solcher thermoelektrischer Module sowie thermoelektrische Generatoren oder Peltier-Anordnungen, die solche thermoelektrischen Module enthalten.
Die im Rahmen dieser Erfindung verwendeten thermoelektrisch aktiven Halbleiter weisen in der Regel hohe Schmelzpunkte auf, z. B. PbTe mit 917°C. Damit war es nicht von vornherein zu erwarten, dass die benötigte Atombeweglichkeit für Kaltgefügeverfahren vorhanden ist.
Die erfindungsgemäß eingesetzten Telluride, Antimonide, Oxide und anderen thermoelektrisch halbleitenden Verbindungen eignen sich insbesondere für Generatoranwendungen, die bei hohen Temperaturen ablaufen, wobei die Temperatur der heißen Seite des Moduls vorzugsweise oberhalb 400°C, insbesondere bei 600°C, liegen kann. Damit wird selbst eine Verwendung in Generatoranwendungen unter Nutzung von konzentrierter Sonnenstrahlung möglich. Eine temperaturstabile Kontaktierung durch Ultraschallschweißen erweist sich dabei als besonders vorteilhaft.
Die Erfindung ist grundsätzlich bei allen bekannten thermoelektrisch halbleitenden Materialen anwendbar. Geeignete Materialien sind beispielsweise beschrieben in Mat. Sci. and Eng. B29 (1995) 228. Vorzugsweise werden als Halbleitermaterial Antimonide, besonders bevorzugt CoSb₃ oder Zn₄Sb₃, aber auch solche der Metalle Magnesium, Eisen, Nickel, Vanadium, Niob, Tantal, Chrom und/oder Mangan, Telluride, beispielsweise solche auf der Basis von Pb oder Pb/Ge, Sulfide, Selenide und/oder halbleitende Oxide als Haupt- oder Teilkomponente eingesetzt. Besonders vorteilhaft ist sie einsetzbar bei Halbleitern auf der Basis von Telluriden und Antimoniden.
Module von mit Bi₂Te₃ basierten thermoelektrischen halbleitenden Materialien sind nicht Gegenstand dieser Erfindung. Bi₂Te₃ besitzt mit ca. 573°C einen zu niedrigen Schmelzpunkt für eine Verwendung als halbleitendes Material in thermoelektrischen Bauteilen für Generatoranwendungen.
Vorzugsweise werden Halbleitermaterialien mit einem Schmelzpunkt von mindestens 600°C, besonders bevorzugt mindestens 800°C, eingesetzt.
Für spezielle Anwendungen kann auch die Verwendung von thermoelektrisch aktiven Halbleitern auf Basis von Zn₄Sb₃ vorteilhaft sein. Dies gilt insbesonders dann, wenn die im Modul maximal erreichte Temperatur deutlich unterhalb der Phasenumwandlungstemperatur von 492°C (für reines Zn₄Sb₃) liegt bzw. wenn dieses Material aufgrund seines – im Vergleich zu Bi₂Te₃ – besonders hohen Wirkungsgrads eingesetzt wird.
Es können auch substituierte Halbleitermaterialen verwendet werden. Solche substituierte Halbleitermaterialen sind beispielsweise Telluride, bei denen die positiv polarisierten Atome des Kristallgitters des Tellurids partiell durch Silizium und/oder Germanium substituiert sind. Eine typische Zusammensetzung eines Materials in diesem Sinne ist z.B. PbTe·(Si₂Te₃)_0,01. Unter „partiell" wird bei den Telluriden ein Substitutionsgrad mit vorzugsweise 0,002 bis 0,05 Mol, besonders bevorzugt 0,003 bis 0,02 Mol, insbesondere 0,008 bis 0,013 Mol, pro Mol Formeleinheit Tellurid verstanden. Solche substituierten Telluride, deren Herstellung und Eigenschaften sind beispielsweise beschrieben in der noch unveröffentlichten DE-Patentanmeldung Nr. 102004025066.9. Des Weiteren können auch substituierte Antimonide eingesetzt werden, in denen das Kristallgitter der Metallantimonide partiell mit Sulfiden, Seleniden und/oder Telluriden der Metalle Antimon, Silizium, Germanium, Zink, Blei, Arsen und/oder Bismut substituiert ist. Unter „partiell" wird bei den Antimoniden ein Substitutionsgrad mit vorzugsweise 0,0005 bis 0,3 Mol, besonders bevorzugt 0,001 bis 0,2 Mol, insbesondere 0,005 bis 0,05 Mol, pro Mol Formeleinheit Antimonid verstanden. Falls eine Substitution des Kristallgitters des Antimonids erfolgt, so erhalten diese vorzugsweise Verbindungen, die ausgewählt sind aus der Gruppe, bestehend aus Si₂Te₃, GeTe, SnTe, PbTe, Sb₂Te₃, Bi₂Te₃, ZnTe, As₂Te₃, ZnS, As₂S₃, ZnSe, As₂Se₃ oder Mischungen davon. Solche substituierten Antimonide sind beispielsweise beschrieben in der noch unveröffentlichten DE-Patentanmeldung Nr. 102004025065.0.
Die beschriebenen unsubstituierten oder substituierten Halbleitermaterialien können ohne weitere Dotierung eingesetzt werden. Sie können aber auch weitere Verbindungen, insbesondere sonstige üblicherweise mitverwendete Dotiermittel enthalten.
Insbesondere die Telluride können zusätzlich dotiert sein. Wenn die Telluride dotiert sind, so beträgt der Anteil an Dotierungselementen vorzugsweise bis zu 0,1 Atom-% (10¹⁸ – 10¹⁹ Atome pro Kubikzentimeter Halbleitermaterial), besonders bevorzugt bis zu 0,05 Atom-%, insbesondere bis zu 0,01 Atom-%.
Dotiert wird i. d. R. mit Elementen, die einen Elektronenüber- oder -unterschuss im Kristallgitter bewirken. Geeignete Dotiermetalle für p-Halbleiter sind beispielsweise die folgenden Elemente: Lithium, Natrium, Kalium, Magnesium, Kalzium, Strontium, Barium und Aluminium. Geeignete Dotiermetalle für n-Halbleiter sind die Elemente Chlor, Brom und Jod.
Durch Dotieren lässt sich der Leitungstyp in das Gegenteil überführen.
Als eigentliches Kontaktmaterial können alle üblicherweise dafür geeigneten Stoffe eingesetzt werden, die eine hohe elektrische wie thermische Leitfähigkeit aufweisen. Vorteilhafterweise verwendet werden dünne Bleche aus Kupfer, Nickel, Silber oder Gold. Geeignet sind aber auch weitere elektrisch gut leitende Materialien, wie z.B. Fe, Pd, Pt, Cr, Ta oder andere bzw. Mischungen und/oder Legierungen davon.
Je nach Materialpaarung von eingesetzten Halbleitern und Kontakten kann es vorteilhaft sein, eine Barriereschicht zwischen Halbleiter und Kontakt anzubringen. Vorteilhafterweise werden die erfindungsgemäß eingesetzten thermoelektrisch halbleitenden Materialen mit einer Barriereschicht versehen. Eine solche Barriereschicht besteht aus sehr gut elektrisch leitfähigen Verbindungen mit starrem Kristallgitter, wodurch die Diffusion durch diese Schichten verhindert wird.
Geeignete Materialien für die Barriereschichten sind Boride, Nitride, Carbide, Phosphide und/oder Silicide.
Im Einzelnen kommen hierfür beispielhaft folgende Verbindungsklassen in Frage:
Nitride wie TiN, TaN, CrN, ZrN, AlTiN;
Carbide wie TiC, TiCN, TaC, MoC, WC, VC, Cr₃C₂;
Phosphide wie Ni₂P, Ni₃P, Ni₅P₂;
Boride wie TiB₂, ZrB₂, HfB₂, VB₂, NbB₂, TaB₂, CrB₂, Mo₂B₅, W₂B_S, FeB, CoB, NiB, Ni₂B, Ni₃B;
oder
Silizide wie VSi₂, NbSi₂, TaSi₂, TiSi₂, ZrSi₂, MoSi₂, WSi₂.
Geeignet sind auch Mischungen dieser Verbindungen untereinander.
Vorteilhafterweise eingesetzt werden Ni₂B, Ni₃B, Ni₂P und/oder Ni₅P₂ oder auch andere Ni- Phosphide und -Boride. Durch die sehr starke Bindung des Nickel an Phosphor oder Bor wird die Diffusionsfähigkeit des Nickel praktisch vollständig aufgehoben. Bor und Phosphor bilden zudem keine Telluride.
Die Halbleiter werden vor oder nach ihrer Zerteilung auf die Anwendungsdimensionen beidseitig mit der oben beschriebenen Barriereschicht versehen. Diese kann nach verschiedenen Verfahren aufgebracht werden, beispielsweise durch Sputtern ausgehend von einem Target der gleichen Zusammensetzung, wie beispielsweise beschrieben in J. Appl. Phys., Vol. 79 Nr. 2, 1109-1115, 1996, oder von M.E. Thomas et al., VLSI Multilevel Interconnection Conference Proceedings, Fifth Int. IEEE, 1988, oder durch „Physical Vapour Deposition", wie beispielsweise beschrieben in D. S. Dickerby, A. Matthews, Advanced Surface Coutings, Blackie, Glasgow, 1991 und Handbook of Physical Vapor Deposition (PVD) Processing, ISBN 0-8155-1422-0, erzeugt werden.
Erfindungsgemäß erfolgt die Verbindung des thermoelektrisch halbleitenden Materials mit dem Kontaktmaterial oder der Barriereschicht mit dem Kontaktmaterial durch Ultraschallschweißen. In analoger Weise kann auch zunächst das Kontaktblech mit der oben beschriebenen Barriereschicht versehen werden und dann das so präformierte und beschichtete Kontaktblech mit dem thermoelektrisch halbleitenden Material durch Ultraschallschweißen verbunden werden.
Im Gegensatz zu anderen Schweißverfahren zählt das Ultraschallschweißen zu den Kaltfügetechniken, d. h. die Verbindung der zu verbindenden Werkstücke wird bei Temperaturen weit unterhalb der Schmelzpunkte dieser Werkstücke bewerkstelligt, siehe z. B. J. Ruge, Handbuch der Schweißtechnik, Band II: Verfahren und Fertigung, Springer Verlag, 1980, Seiten 132-134.
Über eine Sonotrode werden Schwingungen typischerweise zwischen 10 kHz und 70 kHz auf eines der zu verbindenden Werkstücke übertragen, wobei der Vektor der Schwingungsbewegung in der Verbindungsebene liegt. Dadurch wird eine plastische Deformation an den Oberflächen beider zu verbindender Werkstücke erzeugt. Diese führt dazu, dass auf den Oberflächen vorhanden Fremdschichten (wie z. B. Oxidschichten) aufgerissen werden und der reine Werkstoff an die Oberfläche gelangt. So entsteht ein inniger Kontakt der beiden reinen Werkstoffe des thermoelektrisch halbleitenden Materials und des Kontaktblechs. Kleinere Unebenheiten, wie sie z.B. durch den Herstellprozess (z. B. Gießen, Sägen, o.ä.) unvermeidlich sind, werden durch diesen Prozess ebenfalls abgetragen und beseitigt.
Die eigentliche Schweißverbindung erfolgt nach dem Abschalten des Ultraschalls durch eine innige Verbindung in einer sehr dünnen Grenzschicht. Diese Grenzschicht ist wesentlich dünner als beispielsweise beim Löten, wo eine deutlich weitergehende Diffusion des Lots in Oberflächenschichten der zu verbindenden Werkstücke erfolgt.
Besonders vorteilhaft ist die innige und dünne Grenzschicht im Hinblick auf die thermoelektrischen Eigenschaften. Die elektrischen und thermischen Übergangswiderstände werden minimiert. Somit werden die elektrische Leitfähigkeit und die Wärmeleitfähigkeit der Verbindungsstelle maximiert. Da in einem thermoelektrischen Modul mehrere hundert Bauteile in Serie geschaltet sein und somit mehrere hundert solcher Verbindungsstellen auftreten können, ist die Minimierung der elektrischen und thermischen Widerstände von oberster Bedeutung. Weitere Vorteile bei der Anwendung des Ultraschallschweißens in der Fertigung thermoelektrischer Module liegen in der hohen Bearbeitungsgeschwindigkeit, dem hohen Maß an möglicher Automatisierung und der (Pass-)Genauigkeit, mit der Verbindungen zwischen Werkstücken erfolgen können. Besonders vorteilhaft im Vergleich zum Löten ist die Tatsache, dass keinerlei Benetzungsprobleme auftreten können.
Vorteilhafterweise wird das Ultraschallschweißen im Rahmen dieser Erfindung bei Temperaturen weit unterhalb der Schmelzpunkte der beteiligten Komponenten durchgeführt. Unter solchen Bedingungen wird eine temperaturstabile Verbindung mit niedrigem elektrischen und thermischen Widerstand erzeugt, so dass keine unerwünschte Eigenschaftsverschlechterung durch Gefügeänderungen hervorgerufen wird. Unter Temperaturen „weit unterhalb des Schmelzpunktes" wird im Rahmen dieser Erfindung eine Temperatur von mindestens 50°C, vorzugsweise 100°C, besonders bevorzugt 200°C, unterhalb des Schmelzpunktes des fraglichen Materials verstanden.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den Vorteil, dass das Kontaktmaterial auch bei hohen Temperaturen nicht in die Halbleiter eindiffundiert, damit die Zusammensetzung des Halbleitermaterials nicht geändert wird und somit die thermoelektrischen Eigenschaften nicht negativ beeinflusst werden. Da keine weiteren Stoffe, wie z.B. Lot bei Lötverbindungen, zugegen sind, ist eine Verunreinigung der beteiligten Materialien auch bei höheren Temperaturen auszuschließen.
Thermoelektrische Generatoren oder Peltier-Anordnungen mit den beschriebenen thermoelektrischen Modulen sind besonders geeignet für den Einsatz bei erhöhten Temperaturen von größer als 300°C.

Claims

Thermoelektrische Module, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoelektrisch halbleitende Material mit dem eigentlichen Kontaktmaterial durch Ultraschallschweißen verbunden ist.
Thermoelektrische Module nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoelektrisch halbleitende Material mit einer Barriereschicht aus Boriden, Nitriden, Carbiden, Phosphiden und/oder Siliciden versehen ist und diese Schicht mit dem eigentlichen Kontaktmaterial durch Ultraschallschweißen verbunden ist.
Thermoelektrische Module nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontaktmaterial mit einer Barriereschicht aus Boriden, Nitriden, Carbiden, Phosphiden und/oder Siliciden versehen ist und diese Schicht mit dem thermoelektrisch halbleitenden Material durch Ultraschallschweißen verbunden ist.
Thermoelektrische Module nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitermaterial ganz oder teilweise aus der Gruppe ausgewählt ist, die Antimonide, Telluride, ausgenommen Bi₂Te₃, Sulfide, Selenide und/oder halbleitende Oxide enthält.
Thermoelektrische Module nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitermaterial einen Schmelzpunkt von mindestens 600°C hat.
Thermoelektrische Module nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitermaterial ganz oder teilweise CoSb₃ ist.
Thermoelektrische Module nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitermaterial ganz oder teilweise Zn₄Sb₃ ist.
Thermoelektrische Module nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Halbleitermaterial auf Basis von PbTe oder Pb/Ge-Telluriden ganz oder teilweise enthalten ist.
Thermoelektrische Module nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Barriereschicht aus Nickelborid und/oder Nickelphosphid besteht.
Verfahren zur Herstellung thermoelektrischer Module, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierung des thermoelektrisch halbleitenden Materials mit dem eigentlichen Kontaktmaterial durch Ultraschallschweißen erfolgt.
Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass auf das thermoelektrisch halbleitende Material eine Barriereschicht aus Boriden, Nitriden, Carbiden, Phosphiden und/oder Siliciden aufgebracht wird und anschließend diese Schicht mit dem eigentlichen Kontaktmaterial durch Ultraschallschweißen verbunden wird.
Verfahren gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass auf das Kontaktmaterial eine Barriereschicht aus Boriden, Nitriden, Carbiden, Phosphiden und/oder Siliciden aufgebracht wird und anschließend diese Schicht mit dem thermoelektrisch halbleitenden Material durch Ultraschallschweißen verbunden wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Ultraschallschweißen bei Temperaturen von mindestens 50°C unterhalb der Schmelzpunkte der beteiligten Komponenten erfolgt.
Verwendung von Ultraschallschweißverfahren zur Kontaktierung von thermoelektrisch halbleitenden Materialen, die gegebenenfalls mit einer Barriereschicht aus Boriden, Nitriden, Carbiden, Phosphiden und/oder Siliciden versehen sind, mit dem eigentlichen Kontaktmaterial.
Thermoelektrischer Generator oder Peltier-Anordnung, enthaltend thermoelektrische Module gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9.