KR20210101312A - 반도체 열전 발전기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 열전 발전기, 특히 그레이디드-갭 구조의 열전 특성으로 기능하는 열전 발전기, 즉 교차하는 도펀트를 갖는 그레이디드-갭 반도체들 및 이들 사이의 헤테로접합의 특성뿐 아니라, 진성 반도체 재료의 특성으로 기능하는 열전 발전기에 관한 것이고, 그 중에서도 가정용 전기 기구에 전력을 공급하고, 휴대용 전자 장치의 전원공급 소자를 충전하기 위해 사용될 수 있다.
본 발명의 반도체 열전 발전기는 주위 환경으로부터 열을 추출하는 것이 가능하도록 구성된 반도체 어셈블리를 포함하고, 상기 반도체 어셈블리는 적어도 한 쌍의 상호연결된 그레이디드-갭 반도체를 포함하고, 여기서 적어도 하나의 그레이디드-갭 반도체의 넓은-갭 측면은 적어도 하나의 다른 그레이디드-갭 반도체의 좁은-갭 측면에 연결된다. 그레이디드-갭 반도체들 사이의 접합은 진성 반도체 재료를 이용하여 구성되고 그레이디드-갭 반도체는 교차하는 도펀트를 이용하여 구성되며, 이때 쌍으로 연결된 그레이디드-갭 반도체의 넓은-갭 측면들은 어셉터 불순물로 도핑된다.
청구된 발명의 기술적인 결론은 열전 발전기의 효율, 전력 및 출력을 향상시키고, 이의 기능성을 확장시키는 것으로 구성된다.

Description

반도체 열전 발전기
본 발명은 열전 발전기(thermoelectric generator), 특히 그레이디드-갭 구조의 열전 특성으로 기능하는 열전 발전기, 즉 교차하는 도펀트를 갖는 그레이디드-갭 반도체들 및 이들 사이의 헤테로접합의 특성뿐 아니라, 진성 반도체 재료의 특성으로 기능하는 열전 발전기에 관한 것이고, 그 중에서도 가정용 전기 기구에 전력을 공급하고, 휴대용 전자 장치의 전원공급 소자를 충전하기 위해 사용될 수 있는 것에 관한 것이다.
선행 기술은 하나 이상의 외인성 반도체(extrinsic semiconductor) 중 적어도 하나의 n-층 및 적어도 하나의 p-층으로 구성된 열 소자 (특허 RU 2248647 C2, IPC H01L 35/08, 2005년 3월 20일 공개, 공보 번호 8)를 개시하고, n-층(층들)과 p-층(층들)은 이들이 적어도 하나의 p-n 접합을 형성하도록 배열되며, 여기서, 적어도 하나의 n-층과 적어도 하나의 p-층은 선택적으로 전기적으로 접촉하고, 온도 구배(temperature gradient)는 적어도 하나의 n-층과 p-층 사이의 경계층(boundary layer)에 평행하게 적용되거나 제거되며, 여기서 적어도 하나의 p-n 접합은 n-층(층들) 및 p-층(층들)의 가장 긴 연장부를 따라 공통적으로 지배적으로(common predominantly) 실제로 형성되고, 따라서 실제로 이들의 공통적인 경계층을 따라 형성된다.
공지된 해결 방안의 불리한 특징은 열악한 효율, 전력, 출력을 갖고, 신뢰할 수 없음(unreliability), 감소된 기능성(functionality)을 가지며, 이는 이의 설계, 특히 밴드-갭 폭(band-gap width) 구배 없이 반도체를 균일하게 도핑되게 만드는 이의 설계에 의해 유발되고, 또한 경계층을 통한 반도체의 선택적인 접촉에 의해 유발되며, 이는 전도체를 필수적으로 포함한다.
공지된 해결 방안은 열악한 효율, 전력 및 출력을 가지며, 그 이유는 갭 구배 없이 균일하게 도핑된 반도체의 사용이, 생성된 전자-정공 쌍의 제한된 수 및 반도체 페르미 준-레벨(Fermi quasi-level)들의 작은 차이로 인해, 대부분의 가정용 전기 기구에 전력을 공급하고, 휴대용 전자 장치의 배터리를 급속 충전하기에 충분한 전력의 전류를 수득하도록 만들지 않기 때문이다. 공지된 해결 방안이 반도체들 사이에 p-n 접합을 갖는다는 사실에도 불구하고, 경계층 내 전도체 재료의 사용은, 생성된 전류의 양을 감소시키며, 그 이유는 반도체 접촉을 위한 공지된 해결 방안의 양태에서 사용되는 금과 같은 이러한 전도체가 밴드-갭을 갖지 않기 때문이다. 생성된 전류의 불충분한 전력은, 이러한 해결 방안이 동력을 공급하거나 충전하는 것이 가능한 장치의 범위를 제한하기 때문에, 결국 공지된 해결 방안의 기능성을 제한한다.
공지된 해결 방안의 양태 중 하나에 있는, 한 유형의 불순물로의 반도체의 도핑 구배는, 효율을 실질적으로 향상시키지 못하고, 열전 과정에서 전기 전류를 생성하는 전자 및 정공의 수를 증가시키지 못하며, 이에 따라 전체로서 열 소자를 증가시키지 못하며, 그 이유는 반도체에서 발생하는 확산 및 드리프트(drift) 전류가 메인 및 보조 전하 캐리어의 이동을 필요로 하기 때문이다.
선행 기술은 또한 차량용 에너지 발전기를 개시하고 (특허 US 2017211450 A1, IPC F01N 5/02, H01L 35/22, H01L 35/30, H01L 35/32, 2017년 7월 27일 공개), 상기 차량용 에너지 발전기는 n-형 반도체, p-형 반도체, 이들 사이의 진성 반도체(intrinsic semiconductor)를 포함하는 열전 변환기를 포함하고, 여기서, 진성 반도체 밴드-갭 폭은 n-형 반도체 및 p-형 반도체의 밴드-갭 폭보다 작고, 상기 열전 변환기에 열을 공급하도록 구성된 유체 열 캐리어 통로를 위한 채널을 포함하고, 상기 열전 변환기는, 진성 반도체 표면이 열 캐리어 흐름에 수직이 되도록 열 캐리어 채널에 대하여 설치된다.
공지된 해결 방안의 불리한 특징은 열전 변환기의 설계, 즉 밴드-갭 폭 구배가 없는 반도체를 만드는 열전 변환기의 설계에 의해 유발되는 열악한 효율, 전력, 출력 및 감소된 기능성이다.
공지된 해결 방안은 열악한 효율, 전력 및 출력을 가지며, 그 이유는 밴드-갭 폭 구배 없이 균일하게 도핑된 반도체의 사용이, 생성된 전자-정공 쌍의 제한된 수 및 반도체 페르미 준-레벨들의 작은 차이로 인해, 대부분의 가정용 전기 기구에 전력을 공급하고, 휴대용 전자 장치의 배터리를 급속 충전하기에 충분한 전력의 전류를 수득하도록 만들지 않기 때문이다. n-형 반도체와 p-형 반도체 사이에 위치하고 추가 전자의 공급원인 진성 반도체의 이용 가능성에도 불구하고, 무엇보다도 p-n 접합의 이용가능성으로 인해 공지된 해결 방안에 의해 생성되는 전류의 양이 제한되며, 그 이유는 공지된 해결 방안이 제한된 범위의 장치에만 충전하거나 전력을 공급하는 데 사용할 수 있기 때문이다.
청구된 발명에 가장 근접한 선행 기술은 주변 환경으로부터 열을 추출하도록 구성된 반도체 어셈블리를 포함하는 열전 발전기(특허 UA 118506 C2, IPC H01L 35/00, 2019년 1월 25일 공개, 공고 번호 2)이다. 열전 발전기는 p-형 그레이디드-갭 반도체와 n-형 그레이디드-갭 반도체로 이루어지는 적어도 한 쌍의 상호연결된(interconnected) 그레이디드-갭 반도체를 포함하고, 여기서 적어도 하나의 p-형 그레이디드-갭 반도체의 넓은-갭 측면 P는 적어도 하나의 n-형 그레이디드-갭 반도체의 좁은-갭 측면 n과 연결되고, 적어도 한 쌍의 그레이디드-갭 반도체가 이용가능한 경우, 적어도 하나의 n-형 그레이디드-갭 반도체의 넓은-갭 측면 N은 적어도 하나의 p-형 그레이디드-갭 반도체의 좁은-갭 측면 p와 연결된다.
가장 근접한 해결 방안의 수많은 장점, 예를 들면 그레이디드-갭 반도체들 및 이들 사이의 헤테로접합의 사용에 의해 유발되고, 그레이디드-갭 반도체들 상호 배열, 특히 이들의 넓은 밴드-갭 및 좁은 밴드-갭 측면들의 상호 배열에 의해 유발되는, 향상된 효율, 반도체 접촉부에서 온도차 유지 불필요, 비용-효율성, 단순한 설계 및 사용 용이성, 제조 비용 절감, 향상된 기능성 및 사용의 범위에도 불구하고, 가장 근접한 해결 방안의 그레이디드-갭 반도체가 균일하게 도핑되기 때문에, 가장 근접한 해결 방안은 불충분하게 높은 단위 면적 당 출력으로 특징지어진다, 즉, 어셉터 불순물 또는 도너 불순물 중 하나를 포함하며, 이는 그레이디드-갭 반도체 페르미 준-레벨의 차이를 감소시키고, 전자-정공 쌍의 생성을 제한한다.
게다가, 가장 근접한 해결 방안은 반도체 진성 재료를 포함하지 않으며, 이는 또한 가장 근접한 해결 방안의 작동 중에 발생하는 열전 과정에서 전자-정공 쌍의 생성을 제한하며, 따라서 확산 및 드리프트 전류의 전력을 제한한다. 반면, 반도체 어셈블리 및 접촉 소자의 설계 특징으로 인한 가장 근접한 해결 방안의 감소된 출력은, 그레이디드-갭 반도체 및 접촉 소자의 면적을 증가시키고 전체로서 열전 발전기의 전반적인 치수를 증가시킬 필요성을 유발하며, 이는 가장 근접한 해결 방안의 사용을 복잡하게 만들고 재료 소비를 증가시킨다.
청구된 발명에 의해 해결되는 기술적 문제는 향상된 효율, 전력, 출력 및 향상된 기능성을 특징으로 하는 새로운 반도체 열전 발전기의 생성이다.
상기 기술적 문제는 적어도 한 쌍의 상호연결된 그레이디드-갭 반도체를 포함하는, 주변 환경으로부터 열을 추출하도록 구성된 반도체 어셈블리를 포함하는 반도체 열전 발전기에서, 여기서 적어도 하나의 그레이디드-갭 반도체의 넓은-갭 측면은 적어도 하나의 다른 그레이디드-갭 반도체의 좁은-갭 측면과 연결되고, 제안에 따르면, 그레이디드-갭 반도체 접합의 지점은 반도체 진성 재료를 사용하여 구성되고, 두 가지 그레이디드-갭 반도체 모두 교차하는 도펀트를 사용하여 구성되는 반면, 적어도 한 쌍의 그레이디드-갭 반도체의 넓은 밴드-갭 측면은 어셉터 불순물로 도핑된다는 사실에 의해 해결된다.
더욱이, 제안에 따르면, 그레이디드-갭 반도체 접합 지점에 위치한 그레이디드-갭 반도체들 중 하나의 좁은-갭 측면의 에지 영역(edge area)은 반도체 진성 재료로 만들어진다.
게다가, 제안에 따르면, 그레이디드-갭 반도체 접합 지점에는 반도체 진성 재료의 중간층이 있으며 그레이디드-갭 반도체들은 상기 중간층을 통해 연결된다.
또한, 제안에 따르면, 반도체 어셈블리의 외부 표면은 옴 접촉부를 가지며, 하나의 단자가 반도체 어셈블리의 각 외부 표면에 연결된다.
더욱이, 제안에 따르면, 옴 접촉부를 갖는 반도체 어셈블리 외부 표면 상에 열 캐리어로부터 열을 추출하도록 구성된 접촉 소자(contact element)가 있고, 하나의 단자가 반도체 어셈블리의 각 외부 표면에 연결된다.
게다가, 제안에 따르면, 반도체 어셈블리는 한 쌍의 그레이디드-갭 반도체들을 포함하고, 이들의 각각은 넓은-갭 측면 Sip 및 좁은-갭 측면 Gej을 갖는데, 이때 넓은-갭 측면 Sip는 어셉터 불순물로 도핑된 규소(silicon)를 포함하고, 좁은-갭 측면 Gej은 진성 게르마늄을 포함하고, 하나의 그레이디드-갭 반도체의 좁은-갭 측면 Gei은 다른 그레이디드-갭 반도체의 넓은-갭 측면 Sip와 연결되지만, 반도체 어셈블리의 외부 표면들인 그레이디드-갭 반도체의 상호연결된 측면과는 연결되지 않으며, 상기 외부 표면들 상에 단자들이 연결되고 옴 접촉부가 있다.
더욱이, 제안에 따르면, 반도체 어셈블리는 한 쌍의 그레이디드-갭 반도체들을 포함하고, 그레이디드-갭 반도체들 중 하나(i)는 넓은-갭 측면 Sip 및 좁은-갭 측면 Gen을 갖는데, 이때 넓은 갭 측면 Sip는 어셉터 불순물로 도핑된 규소를 포함하고, 좁은-갭 측면 Gen은 도너 불순물(donor impurity)을 갖는 게르마늄을 포함하고, 그레이디드-갭 반도체들 중 다른 하나(ii)는 넓은-갭 측면 Sip 및 좁은-갭 측면 Gei을 갖는데, 이때 넓은-갭 측면 Sip는 어셉터 불순물로 도핑된 규소를 포함하고, 좁은-갭 측면 Gei은 진성 게르마늄을 포함하고, 하나의 그레이디드-갭 반도체(i)의 좁은-갭 측면 Gen와 다른 그레이디드-갭 반도체(ii)의 넓은-갭 측면 Sip 사이에, 진성 게르마늄 Gei의 중간층이 있고, 상기 그레이디드-갭 반도체들은 상기 중간층을 통해 연결되지만, 반도체 어셈블리의 외부 표면들인 상기 중간층과 연결된 그레이디드-갭 반도체들의 측면들에는 연결되지 않으며, 상기 외부 표면들 상에 단자들이 연결되고 옴 접촉부가 있다.
게다가, 제안에 따르면, 반도체 어셈블리는 한 쌍의 그레이디드-갭 반도체들을 포함하고, 이들의 각각은 넓은-갭 측면 Sip 및 좁은-갭 측면 Gen을 갖는데, 이때 넓은-갭 측면 Sip는 어셉터 불순물로 도핑된 규소를 포함하고, 좁은-갭 측면 Gen은 도너 불순물을 갖는 게르마늄을 포함하고, 하나의 그레이디드-갭 반도체의 좁은-갭 측면 Gen와 다른 그레이디드-갭 반도체의 넓은-갭 측면 Sip 사이에, 진성 게르마늄 Gei의 중간층이 있고, 상기 그레이디드-갭 반도체들은 상기 중간층을 통해 연결되지만, 반도체 어셈블리의 외부 표면들인 상기 중간층과 연결된 그레이디드-갭 반도체들의 측면들에는 연결되지 않으며, 상기 외부 표면들 상에 단자들이 연결되고 옴 접촉부가 있다.
청구된 발명의 기술적 결과는 열전 발전기의 효율, 전력 및 출력을 개선하고 그 기능성을 확장하는 것으로 구성된다.
본 발명의 본질적인 특징과 기대되는 기술적 결과 사이의 인과관계는 다음과 같다.
청구된 발명의 본질적인 특징들의 세트는 반도체 어셈블리 설계를 개선하기 때문에, 즉 반도체 진성 재료를 사용하여 구성된 그레이디드-갭 반도체 접합의 지점을 갖는 반도체 어셈블리를 제공하기 때문에, 위에서 언급한 기술적 결과를 보장하고, 넓은 밴드-갭 측면이 어셉터 불순물로 도핑되고 좁은 밴드-갭 측면은 도너 불순물로 도핑되거나 반도체 진성 재료로 만들어진 그레이디드-갭 반도체이다.
청구된 반도체 열전 발전기는 다음과 같은 이유로 효율, 전력 및 출력이 향상되었다.
반도체의 그레이디드-갭 설계로 인해, 즉 이들이 밴드-갭 폭이 다른 화학 원소 또는 이들의 화합물로 만들어지기 때문에, 각각의 반도체 어셈블리 반도체는 더 넓은 밴드-갭 폭의 화학 원소 또는 화합물을 포함하는 넓은-갭 측면과, 대응하는 넓은-갭 측면 재료의 폭보다 더 좁은 밴드-갭 폭의 화학 원소 또는 화합물을 포함하는 좁은-갭 측면을 갖는다. 또한, 반도체 그레이디드-갭 특성으로 인해, 밴드-갭 폭은 넓은-갭 측면에서 좁은-갭 측면으로 한 방향으로 반도체 화학 조성의 점진적인 변화와 함께 점진적으로 감소한다. 어셉터 불순물을 사용한 넓은-갭 측면 도핑 및 가변 도핑과 함께하는 반도체의 이러한 설계는, 열 캐리어 또는 외부 환경과 함께 옴 접촉부의 접촉 표면을 가열한 후 그레이디드-갭 전도체를 균일하게 가열할 경우, 그레이디드-갭 전도체의 좁은-밴드 측면 (이때 전하 캐리어의 농도가 더 높음)으로부터 그레이디드-갭 전도체의 넓은-밴드 측면 (이때 전하 캐리어의 농도가 더 낮음)으로 자유 전하 캐리어를 이동시키는 기전력을 얻는 것이 가능하다.
따라서, 확산 전류는, 좁은-갭 측면 (자유 전하 캐리어의 농도가 높음)으로부터 넓은-갭 측면 (전하 캐리어의 농도가 더 낮음)으로의 방향에서 그레이디드-갭 전도체에서 발생한다. 더욱이, 가변 도핑은 기전력을 현저하게 증가시키며, 그 이유는 전술한 바와 같이 도핑된 그레이디드-갭 반도체의 측면들 사이의 페르미 준-레벨의 균등화(equalization)로 인해 빌트-인 필드(built-in field)가 발생하기 때문이며, 이는 그레이디드-갭 반도체에 의해 유발된 필드와 일치하고, 이것은 후자의 강화를 가져오고, 또한 메인 및 보조 전하 캐리어의 필수적인 양을 갖는 그레이디드-갭 반도체를 제공한다. 상기 확산 전류의 발생으로 인해, 그레이디드-갭 반도체의 대향하는 부분에서 공간 전하(space charge)가 발생하고, 이는 확산 전류 방향과 반대 방향인 드리프트 전류의 발생을 초래한다.
동시에, 앞서 언급한 반도체 어셈블리 및 그레이디드-갭 반도체의 설계는 헤테로접합을 형성하는 그레이디드-갭 반도체 접합의 지점에서 역전압 (reverse voltage)의 발생, 헤테로접합 바이어스(heterojunction bias), 열 전류 및 열 발생 전류의 발생을 유발한다. 따라서 보조 전하 캐리어는 헤테로접합을 통해 이동한다. 또한, 그레이디드-갭 반도체에서 발생하는 기전력은 그레이디드-갭 반도체 좁은-밴드 측면으로부터 반도체 넓은-밴드 측면으로의 헤테로접합을 통한 보조 전하 캐리어의 이동을 촉진하여, 이들이 메인 전하 캐리어로 변환하고 그레이디드-갭 반도체 내 확산 및 드리프트 전류를 증폭시킨다.
동시에, 그레이디드-갭 반도체 접합의 지점에 위치한 진성 재료는 헤테로접합에서 증폭된 열 발생 전류를 유지하는 데 필요한 양의 정공과 같은, 전자와 같은 전하 캐리어의 공급원이다.
따라서, 청구된 반도체 열전 발전기에 의해 생성된 누적 전류는, 그레이디드-갭 반도체의 확산 및 드리프트 전류, 그레이디드-갭 반도체 접합 지점에 위치한 헤테로접합의 열 전류 및 열 발생 전류로 이루어지며, 그레이디드-갭 반도체의 전반적인 치수 및 면적이 동일하거나 더 작으면서, 가장 근접한 선행 기술에 의해 생성된 확산 및 드리프트 전류보다 훨씬 강력하고, 이는 열전 발전기 효율 및 단위 면적당 출력이 개선됨을 나타낸다. 증가된 전류 전력은, 더 강력한 전류 공급원을 필요로 하는 장치를 충전시키거나 에너지를 공급할 수 있기 때문에, 결국 청구된 반도체 열전 발전기의 사용 및 기능성의 향상을 가능하게 하며, 이는 가장 근접한 선행 기술 및 임의의 유사한 열전 발전기의 사용이 가능하지 않은 경우에 청구되는 열전 발전기의 사용을 가능하게 한다.
청구된 열전 발전기의 효율 개선은, 반도체 어셈블리의 앞서 언급한 설계에서, 제벡 효과(Seebeck effect)가 전류 생성에 사용되지 않는다는 사실에 의해 달성되며, 이는 결국 반도체 접촉에서 온도 차이를 유지하기 위한 에너지 소비 및 반도체의 동시 가열 및 냉각의 필요성을 제거하고, 또한 앞서 언급한 작업을 위한 정교한 장비의 사용에 대한 필요성을 제거한다. 실제로, 청구된 열전 발전기의 효율적인 작동은 반도체 어셈블리 외부 표면만을 가열하는 것을 필요로 하며, 이는 주변 환경에서의 방출 또는 공기 또는 물과 같은 가열된 열 캐리어와, 상기 구성 요소와의 간단한 접촉에 의해 수행될 수 있으며, 이러한 가열은 다른 장치 작동의 부수적인 효과일 수 있다, 예를 들면 보일러 또는 태양 집열기(solar collector). 동시에 옴 접촉부의 접촉 표면을 가열하는 열 에너지의 대부분은, 그레이디드-갭 반도체 내 전하 캐리어의 열 운동으로 변환되고, 작동 중 열전 발전기에 의해 방출되는 열 에너지는 열 캐리어로 인해 둘러싸인 부피(enclosed volume)에서 소산되고, 옴 접촉부의 접촉 표면을 가열하는 데 사용될 수 있다.
또한, 청구된 열전 발전기의 사용은 반도체 열전 발전기의 전체 치수, 특히 이의 면적의 감소로 인해 더 사용자-친화적이고 용이하게 되며, 그 이유는 병렬로 배열된 이러한 열전 발전기의 작은 면적의 그레이디드-갭 반도체 또는 어셈블리를 갖는 열전 발전기의 사용이 강력한 전류를 발생시키기에 충분하기 때문이다.
반도체 어셈블리 외부 표면에 옴 접촉부를 제공하는 것은, 반도체와 옴 접촉부 금속 사이의 전위 장벽을 감소시킬 수 있어, 전하 캐리어가 상기 장벽을 통과하기 위한 기전력 소비를 감소시켜, 결국 에너지 소비를 줄이고 청구된 열전 발전기의 출력 및 효율을 향상시킨다. 반도체 어셈블리의 각 외부 표면에 대한 단자의 연결은 청구된 열전 발전기를 부하, 전류-전압 변환기 또는 기타 유사한 장치에 연결하고 전기 회로를 형성하는 데 필수적이다.
열 캐리어로부터 열을 추출하도록 구성된 접촉 소자를, 옴 접촉부를 갖는 반도체 어셈블리 외부 표면에 고정시키는 것은, 청구된 열전 발전기의 사용이 보다 사용자 친화적이게 만들며, 그 이유는 상기 접촉 소자를, 열 캐리어를 포함하거나 전달하는 장치 및 수단에 고정할 필요성을 제거하고, 추가적인 작동 및 상응하는 시간 소요 없이 청구된 반도체 열전 발전기를, 열 캐리어를 전달하는 임의의 적절한 장치 또는 수단에 설치하기에 용이하게 만들기 때문이다.
청구된 반도체 열전 발전기의 설계는 다음의 도면에 의해 명확해진다.
도 1 - 다음의 양태의 청구된 반도체 열전 발전기를 도시한다: 반도체 어셈블리는 한 쌍의 그레이디드-갭 반도체들을 포함하고, 이들의 각각은 넓은-갭 측면 Sip 및 좁은-갭 측면 Gei을 갖는데, 이때 넓은-갭 측면 Sip는 어셉터 불순물로 도핑된 규소를 포함하고, 좁은-갭 측면 Gei은 진성 게르마늄을 포함하고, 하나의 그레이디드-갭 반도체의 좁은-갭 측면 Gej은 다른 그레이디드-갭 반도체의 넓은-갭 측면 Sip와 연결되지만, 반도체 어셈블리의 외부 표면들인 그레이디드-갭 반도체의 상호연결된 측면과는 연결되지 않으며, 상기 외부 표면들 상에 단자들이 연결되고 옴 접촉부가 있음.
도 2 - 다음의 양태의 청구된 반도체 열전 발전기를 도시한다: 반도체 어셈블리는 한 쌍의 그레이디드-갭 반도체들을 포함하고, 그레이디드-갭 반도체들 중 하나(i)는 넓은-갭 측면 Sip 및 좁은-갭 측면 Gen을 갖는데, 이때 넓은 갭 측면 Sip는 어셉터 불순물로 도핑된 규소를 포함하고, 좁은-갭 측면 Gen은 도너 불순물(donor impurity)을 갖는 게르마늄을 포함하고, 그레이디드-갭 반도체들 중 다른 하나 (ii)는 넓은-갭 측면 Sip 및 좁은-갭 측면 Gei을 갖는데, 이때 넓은-갭 측면 Sip는 어셉터 불순물로 도핑된 규소를 포함하고, 좁은-갭 측면 Gei은 진성 게르마늄을 포함하고, 하나의 그레이디드-갭 반도체(i)의 좁은-갭 측면 Gen와 다른 그레이디드-갭 반도체(ii)의 넓은-갭 측면 Sip 사이에, 진성 게르마늄 Gei의 중간층이 있고, 상기 그레이디드-갭 반도체들은 상기 중간층을 통해 연결되지만, 반도체 어셈블리의 외부 표면들인 상기 중간층과 연결된 그레이디드-갭 반도체들의 측면들에는 연결되지 않으며, 상기 외부 표면들 상에 단자들이 연결되고 옴 접촉부가 있음.
도 3 - 다음의 양태의 청구된 반도체 열전 발전기를 도시한다: 반도체 어셈블리는 한 쌍의 그레이디드-갭 반도체들을 포함하고, 이들의 각각은 넓은-갭 측면 Sip 및 좁은-갭 측면 Gen을 갖는데, 이때 넓은-갭 측면 Sip는 어셉터 불순물로 도핑된 규소를 포함하고, 좁은-갭 측면 Gen은 도너 불순물을 갖는 게르마늄을 포함하고, 하나의 그레이디드-갭 반도체의 좁은-갭 측면 Gen와 다른 그레이디드-갭 반도체의 넓은-갭 측면 Sip 사이에, 진성 게르마늄 GeI의 중간층이 있고, 상기 그레이디드-갭 반도체들은 상기 중간층을 통해 연결되지만, 반도체 어셈블리의 외부 표면들인 상기 중간층과 연결된 그레이디드-갭 반도체들의 측면들에는 연결되지 않으며, 상기 외부 표면들 상에 단자들이 연결되고 옴 접촉부가 있음.
도면에는 다음 관례들이 사용된다:
Sip - 양태에서 어셉터 불순물로 도핑된 규소로 이루어지는 그레이디드-갭 반도체 넓은-갭 측면;
Gej - 양태에서 진성 게르마늄으로 이루어지는 그레이디드-갭 반도체 좁은-갭 측면;
Gen - 양태에서 도너 불순물을 갖는 게르마늄으로 이루어지는 그레이디드-갭 반도체 좁은-갭 측면;
Gei - 진성 게르마늄의 중간층
Figure pct00001
도면은 상호연결된 한 쌍의 그레이디드-갭 반도체(2), 2개의 옴 접촉부(3) 및 2개의 단자(4)를 포함하는 반도체 어셈블리(1)를 포함하는, 청구된 반도체 열전 발전기의 바람직하지만 배타적이지 않은 양태의 도식적인 도면을 도시한다. 게다가, 도면은 도식적이고 단순화된 형태로 확산 및 드리프트 전류, 열 전류 및 열 발생 전류, 그리고 그레이디드-갭 반도체 (2)의 구조 및 재료를 도시한다.
이 경우 열전 발전기 또는 열발전기(thermogenerator)는 열 에너지를 전기 전류로 변환하는 장치를 의미한다.
도시된 양태에서, 반도체 어셈블리(1)는 가변적으로 도핑된 한 쌍의 상호연결된 그레이디드-갭 반도체(2)를 포함한다. 바람직한 양태에서, 그레이디드-갭 반도체(2)는, 납땜(soldering), 스플라이싱(splicing) 또는 쌍으로-연결된(pairwise-connected) 그레이디드-갭 반도체(2)들의 접합점에서 헤테로접합을 형성하는 임의의 다른 유사한 방법에 의해 중간층(6)과 또는 서로 일체로 연결된다. 쌍으로 연결된 그레이디드-갭 전도체(2)들의 넓은-밴드 측면들은 어셉터 불순물로 도핑된다.
쌍으로 연결된 그레이디드-갭 반도체(2)들의 접합점은 반도체 진성 재료를 사용하여 구성된다. 도 1에 도시된 청구된 반도체 열전 발전기의 양태에서, 그레이디드-갭 반도체(2)의 접합점에 위치한, 하나의 그레이디드-갭 반도체(2)의 좁은-갭 측면의 에지 영역은 반도체 진성 재료로 만들어진다. 도 2 및 3에 도시된 청구된 반도체 열전 발전기의 양태에서, 그레이디드-갭 반도체 접합의 지점에서 반도체 진성 재료의 중간층(6)이 있고, 이를 통해 그레이디드-갭 반도체(2)들이 연결된다. 위의 모든 양태들에서, 반도체 진성 재료는 게르마늄이다. 그러나, 이러한 재료는 밴드-갭 폭이 그레이디드-갭 반도체(2)의 넓은-밴드 측면의 밴드-갭 폭보다 좁은 임의의 재료일 수 있다.
도 1에 도시된 바람직한 양태에서, 그레이디드-갭 반도체(2) 각각은, 어셉터 불순물로 도핑된 규소를 포함하는 넓은-갭 측면 Sip; 진성 게르마늄을 포함하는 좁은-갭 측면 Gei; 및 블렌드 화학 조성을 갖는 이들 사이의 중간 영역;으로 이루어지고, 이때 넓은-갭 측면으로의 방향으로 게르마늄 함량은 점차 감소하고 규소 함량은 점차 증가한다.
도 2에 도시된 바람직한 양태에서, 그레이디드-갭 반도체(2)들 중 하나 (i)는, 어셉터 불순물로 도핑된 규소를 포함하는 넓은-갭 측면 Sip과, 도너 불순물을 갖는 게르마늄을 포함하는 좁은-갭 측면 Gen을 갖고, 그레이디드-갭 반도체(2)들 중 다른 하나 (ii)는 어셉터 불순물로 도핑된 규소를 포함하는 넓은-갭 측면 Sip과, 좁은-갭 측면 Gei을 갖고, 하나의 그레이디드-갭 반도체(2) (i)의 좁은-갭 측면 Gen과 다른 그레이디드-갭 반도체(2)(ii)의 넓은-갭 측면 Sip 사이에 진성 게르마늄 Gei의 중간층(6)이 있으며, 이를 통해 그레이디드-갭 반도체(2)들이 연결된다.
도 3에 도시된 바람직한 양태에서, 그레이디드-갭 반도체(2) 각각은 어셉터 불순물로 도핑된 규소를 포함하는 넓은-갭 측면 Sip과, 도너 불순물을 갖는 게르마늄을 포함하는 좁은-갭 측면 Gen을 갖고, 하나의 그레이디드-갭 반도체(2)의 좁은-갭 측면 Gen과 다른 그레이디드-갭 반도체(2)의 넓은-갭 측면 Sip 사이에 진성 게르마늄 Gei의 중간층(6)이 있고, 이를 통해 그레이디드-갭 반도체(2)들이 연결된다.
그러나, 그레이디드-갭 반도체(2)는 상이한 밴드-갭 폭을 갖는 임의의 반도체 재료로 제조될 수 있고, 상기 조건을 고려하여 그레이디드-갭 반도체에 결합될 수 있다. 또한, 바람직한 양태에서 그레이디드-갭 반도체(2)의 넓은 밴드-갭 측면을 위한 어셉터 불순물은 3가 붕소이고, 대응하는 양태에서 그레이디드-갭 반도체(2)의 좁은 밴드-갭 측면을 위한 도너 불순물은 5가 인이다. 그러나, 그레이디드-갭 반도체(2)를 구성하는 반도체 재료에 따른 다른 유사한 재료가 어셉터 및 도너 불순물로 사용될 수 있다.
청구된 본 발명의 예시된 양태에서, 그레이디드-갭 반도체(2)는 판 형태이고 수평면 내에서 연결된다. 그레이디드-갭 반도체(2)는 액상 에피택시 방법(epitaxy method), 기상 이온-빔 에피택시 방법(gaseous-phase ion-beam epitaxy method), 확산 방법(diffusion method) 또는 알루미늄 또는 니켈 기판 상의 게르마늄 또는 규소 스퍼터링에 의해 생성될 수 있다. 그러나 그레이디드-갭 반도체 재료의 특성에 상응하는 다른 재료를 기판으로 사용할 수 있다.
반도체 어셈블리(1)의 외부 표면들 상에는 2개의 옴 접촉부(3)가 있으며, 이는 그레이디드-갭 반도체(2)의 외부 표면이다. 예시된 양태에서 옴 접촉부(3)는 청구된 발명의 바람직한 양태에서 알루미늄으로 만들어진 반도체 어셈블리(1)의 외부 표면과 완전하게(integrally) 연결되는 수평으로-배향된(horizontally-oriented) 판이다. 그러나, 옴 접촉부(3)는 높은 열 전도도, 내화학성 및 고온 내성을 갖는 다른 물질로 만들어질 수 있다.
2개의 단자(4)는 하나의 그레이디드-갭 반도체(2)의 좁은-갭 측면에 연결되고 다른 그레이디드-갭 반도체(2)의 넓은-갭 측면에 연결되며, 이 외부 표면은 반도체 어셈블리(1)의 외부 표면이다. 바람직한 양태에서, 단자(4)는 그레이디드-갭 반도체(2)의 상기 표면에 그리고 옴 접촉부(3)에 연결되고 절연체로 코팅된다. 단자(4) 금속 접촉부의 재료는 예를 들어 구리 또는 명백한 금속 특성을 갖는 기타 화학 원소일 수 있다.
예시된 양태에서, 청구된 반도체 열전 발전기는 열 캐리어(5) 전달을 위한 2개의 수단 사이에 위치되며, 유체 또는 기체 열 캐리어가 이를 통해 통과한다. 열 캐리어 전달을 위한 이러한 수단은 예를 들어 태양 집열기 코일 파이프, 가열 장치의 구성 요소 또는 기타 유사한 수단일 수 있다.
청구된 반도체 열전 발전기는 다음과 같이 사용된다.
청구된 열전 발전기의 상응하는 양태에서, 단자 (4) 접촉부는 예를 들어 전류-전압 변환기에 연결되어 전기 회로를 형성하고, 청구된 반도체 열전 발전기를 열 캐리어 (5) 전달 수단들 사이에 배치하여, 옴 접촉부(3)가 열 캐리어 (5) 전달 수단의 표면과 또는 열 캐리어로부터 열을 추출하도록 구성된 접촉 소자와 직접 접촉하도록 한다. 그 후, 상기 전달 수단(5)에 있는 열 캐리어는 외부 열원, 예를 들어 연료, 가스 또는 축적된 태양 광선에 의해 가열된다.
열 캐리어로부터의 열 에너지는 반도체 어셈블리(1)의 외부 표면을 통해 옴 접촉부(3)를 통과하고, 그레이디드-갭 반도체(2)를 균일하게 가열하며, 이는 청구된 열전 발전기의 작동을 개시한다. 그레이디드-갭 반도체(2) 측면들 사이의 전하 캐리어 이동으로 인해, 확산 전류, 드리프트 전류, 열 전류 및 열 발생 전류는 그레이디드-갭 반도체(2)들 사이의 헤테로접합을 통해 발생하고, 확산 전류, 열 전류 및 열 발생 전류의 방향은 같다.
따라서, 전기 전류는 형성된 전기 회로에서 발생하고 단자 (4)를 통해, 예를 들어 전류-전압 변환기 또는 변환기로 전달되고, 가정용 전기 기구, 기술 장비에 전원을 공급하고 휴대용 전자 장치 등의 배터리를 충전하는 데 사용될 수 있다.
동시에, 열 캐리어(5)의 가열은 상당한 에너지 소비 및 정교한 장비를 필요로 하지 않으며, 이의 속도는 청구된 반도체 열전 발전기의 사용자에 의해 용이하게 제어된다. 청구된 열전 발전기를 중지하기 위해, 전기 회로를 닫는 장치로부터 단자(4)의 와이어를 분리하거나 열 캐리어(5)의 가열을 중지하거나 청구된 반도체 열전 발전기를 열 캐리어(5) 전달 수단들 사이의 공간에서 제거하면 충분하다.
동시에, 청구된 반도체 열전 발전기의 상기 3가지 바람직한 양태 각각이 특정 열 캐리어 온도에서 최적의 출력을 갖는다는 점을 고려할 필요가 있다. 따라서, 열 캐리어 온도가 그레이디드-갭 반도체(2)의 좁은-갭 측면 전자가 전하 캐리어로 변환되는데 필요한 에너지를 획득하는 온도와 같거나 이를 초과하는 경우, 도 1에 도시된 청구된 반도체 열전 발전기의 양태가 사용된다. 따라서, 열 캐리어 온도가 그레이디드-갭 반도체(2)의 좁은-갭 측면 전자가 전하 캐리어로 변환되는데 필요한 에너지를 획득하는 온도와 같거나 이의 미만인 경우, 도 2에 도시된 청구된 반도체 열전 발전기의 양태가 사용된다. 열 캐리어 온도가 그레이디드-갭 반도체(2)의 좁은-갭 측면 전자가 전하 캐리어로 변환되는데 필요한 에너지를 획득하는 온도보다 실질적으로 낮은 경우, 도 3에 도시된 청구된 반도체 열전 발전기의 양태가 사용된다.
또한, 생성된 전류의 전력을 증가시키기 위해, 몇몇 청구된 열전 발전기가 반도체 어셈블리(1)의 외부 표면들 사이에 위치한 금속 접촉부를 통해 병렬로 연결될 수 있다.
특허 및 과학 및 기술 정보의 기존 공급원은 청구된 일련의 필수적인 특징들을 갖는 반도체 열전 발전기를 개시하지 않는다. 따라서 제안된 기술적 해결 방안은 신규성 특허성 기준을 준수한다.
앞선 기술적 해결 방안 및 가장 가까운 선행 기술의 비교 분석은, 제안된 발명을 특징짓는 일련의 필수적인 특징들의 구현이 앞서 언급한 질적으로 새로운 기술적 특성들을 가져오며, 이 조합은 선행 기술에서 이전에 설립된 적 없는 것이며, 이는 제안된 기술 해결 방안이 진보성 수준의 특허성 기준을 준수하는지에 대한 결론을 가능하게 한다.
제안된 기술적 해결 방안은 산업 생산 주변 환경에서 현대 기술 개발 단계에서 재현할 수 없는 임의의 구조적 소자 및 재료를 포함하지 않으므로 산업적으로 적용 가능하다.

Claims (8)

  1. 주위 환경으로부터 열을 추출하도록 구성된 반도체 어셈블리를 포함하는, 반도체 열전 발전기 (thermoelectric generator)로서, 상기 반도체 어셈블리는, 적어도 한 쌍의 상호연결된(interconnected) 그레이디드-갭(graded-gap) 반도체들을 포함하고, 적어도 하나의 그레이디드-갭 반도체의 넓은-갭 측면(wide-gap side)은 적어도 하나의 다른 그레이디드-갭 반도체의 좁은-갭 측면(narrow-gap side)과 연결되고,
    그레이디드-갭 반도체들 사이의 접합(junction)은 반도체 진성 재료(semiconductor intrinsic material)을 이용하여 구성되고, 그레이디드-갭 반도체는 교차하는 도펀트(alternating dopant)를 사용하여 구성되면서, 쌍으로-연결된(pairwise-connected) 그레이디드-갭 반도체의 넓은-갭 측면들은 어셉터 불순물(acceptor impurity)로 도핑되는 것을 특징으로 하는, 반도체 열전 발전기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 그레이디드-갭 반도체들 중 하나의 좁은-갭 측면의 에지 영역(edge area)은 그레이디드-갭 반도체들 사이의 접합 내에 위치하고, 반도체 진성 재료로 이루어지는 것을 특징으로 하는, 반도체 열전 발전기.
  3. 제1항에 있어서,
    그레이디드-갭 반도체들 사이의 접합에는 반도체 진성 재료의 중간층이 있고, 그레이디드-갭 반도체들은 중간층을 통해 연결되는 것을 특징으로 하는, 반도체 열전 발전기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 어셈블리의 외부 표면은 옴 접촉부(ohmic contact)를 갖고, 하나의 단자가 상기 반도체 어셈블리의 각 외부 표면에 연결되는 것을 특징으로 하는, 반도체 열전 발전기.
  5. 제1항에 있어서,
    옴 접촉부를 갖는 반도체 어셈블리 외부 표면 상에는 열 캐리어(heat carrier)로부터 열을 추출하도록 구성된 접촉 소자(contact element)가 있고, 하나의 단자가 상기 반도체 어셈블리의 각 외부 표면에 연결되는 것을 특징으로 하는, 반도체 열전 발전기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 어셈블리가 한 쌍의 그레이디드-갭 반도체들을 포함하고,
    이들 각각은 넓은-갭 측면 Sip 및 좁은-갭 측면 Gej을 갖는데, 이때 넓은-갭 측면 Sip는 어셉터 불순물로 도핑된 규소(silicon)를 포함하고, 좁은-갭 측면 Gej은 진성 게르마늄을 포함하고, 하나의 그레이디드-갭 반도체의 좁은-갭 측면 Gej은 다른 그레이디드-갭 반도체의 넓은-갭 측면 Sip와 연결되지만, 반도체 어셈블리의 외부 표면들인 그레이디드-갭 반도체의 상호연결된 측면과는 연결되지 않으며, 상기 외부 표면들 상에 단자들이 연결되고 옴 접촉부가 있는 것을 특징으로 하는, 반도체 열전 발전기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 어셈블리가 한 쌍의 그레이디드-갭 반도체들을 포함하고,
    상기 그레이디드-갭 반도체들 중 하나(i)는 넓은-갭 측면 Sip 및 좁은-갭 측면 Gen을 갖는데, 이때 넓은 갭 측면 Sip는 어셉터 불순물로 도핑된 규소를 포함하고, 좁은-갭 측면 Gen은 도너 불순물(donor impurity)을 갖는 게르마늄을 포함하고, 상기 그레이디드-갭 반도체들 중 다른 하나(ii)는 넓은-갭 측면 Sip 및 좁은-갭 측면 Gej을 갖는데, 이때 넓은-갭 측면 Sip는 어셉터 불순물로 도핑된 규소를 포함하고, 좁은-갭 측면 Gej은 진성 게르마늄을 포함하고, 하나의 그레이디드-갭 반도체(i)의 좁은-갭 측면 Gen와 다른 하나의 그레이디드-갭 반도체(ii)의 넓은-갭 측면 Sip 사이에, 진성 게르마늄 Gei의 중간층이 있고, 상기 그레이디드-갭 반도체들은 상기 중간층을 통해 연결되지만, 반도체 어셈블리의 외부 표면들인 상기 중간층과 연결된 그레이디드-갭 반도체들의 측면들에는 연결되지 않으며, 상기 외부 표면들 상에 단자들이 연결되고 옴 접촉부가 있는 것을 특징으로 하는, 반도체 열전 발전기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 반도체 어셈블리가 한 쌍의 그레이디드-갭 반도체들을 포함하고,
    이들의 각각은 넓은-갭 측면 Sip 및 좁은-갭 측면 Gen을 갖는데, 이때 넓은-갭 측면 Sip는 어셉터 불순물로 도핑된 규소를 포함하고, 좁은-갭 측면 Gen은 도너 불순물을 갖는 게르마늄을 포함하고, 하나의 그레이디드-갭 반도체의 좁은-갭 측면 Gen와 다른 그레이디드-갭 반도체의 넓은-갭 측면 Sip 사이에, 진성 게르마늄 Gei의 중간층이 있고, 상기 그레이디드-갭 반도체들은 상기 중간층을 통해 연결되지만, 반도체 어셈블리의 외부 표면들인 상기 중간층과 연결된 그레이디드-갭 반도체들의 측면들에는 연결되지 않으며, 상기 외부 표면들 상에 단자들이 연결되고 옴 접촉부가 있는 것을 특징으로 하는, 반도체 열전 발전기.
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