PL234445B1 - Cienka powłoka termoelektryczna - Google Patents
Cienka powłoka termoelektryczna Download PDFInfo
- Publication number
- PL234445B1 PL234445B1 PL419347A PL41934716A PL234445B1 PL 234445 B1 PL234445 B1 PL 234445B1 PL 419347 A PL419347 A PL 419347A PL 41934716 A PL41934716 A PL 41934716A PL 234445 B1 PL234445 B1 PL 234445B1
- Authority
- PL
- Poland
- Prior art keywords
- thermoelectric
- thin
- semiconductor
- coating
- sublayers
- Prior art date
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
- H10N10/01—Manufacture or treatment
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N10/00—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
- H10N10/10—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects
- H10N10/17—Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects operating with only the Peltier or Seebeck effects characterised by the structure or configuration of the cell or thermocouple forming the device
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Other Surface Treatments For Metallic Materials (AREA)
- Hall/Mr Elements (AREA)
- Physical Vapour Deposition (AREA)
- Measuring Temperature Or Quantity Of Heat (AREA)
- Inorganic Compounds Of Heavy Metals (AREA)
Description
Opis wynalazku
Przedmiotem wynalazku jest cienka powłoka termoelektryczna, mająca zastosowanie w instalacjach gdzie następuje wymiana ciepła, zwłaszcza w instalacjach centralnego ogrzewania i/lub wody użytkowej.
Obecnie rynek oczekuje nowych rozwiązań technicznych i urządzeń realizujących coraz większą ilość funkcji a jednocześnie coraz bardziej uniwersalnych. Ponadto, obecnie w całym przemyśle trwają intensywne prace nad opracowaniem nowych metod pozyskiwania energii elektrycznej. Większość dostępnych dzisiaj na rynku urządzeń mikrogeneracyjnych opartych jest na zasadzie konwersji jakiejś formy energii kinetycznej w energię elektryczną. Znane są rozwiązania oparte na różnego rodzaju silnikach tłokowych, silnikach Sterlinga, turbinach, itp. Rozwiązania te mają poważne ograniczenia wynikające z wysokiego poziomu ich skomplikowania, a co za tym idzie wysokiej ceny wytworzenia, niskiej niezawodności oraz wysokich kosztów związanych z zabezpieczeniem wymagań serwisowych.
Znane są urządzenia termoelektryczne wykorzystujące zjawisko Seebeck'a umożliwiające generację energii elektrycznej. Urządzenia te zawierają termoelektryczne środki techniczne, w których różnica temperatur odpowiednich obszarów, umożliwia generowanie energii elektrycznej.
Obecny stan wiedzy dotyczący powłok termoelektrycznych sugeruje, że nie opracowano jeszcze rozwiązania, które instruowałoby jak kompleksowo nanosić kompozyty termoelektryczne i stosować je w urządzeniach. Istnieją natomiast publikacje naukowe traktujące o specyficznych metodach fabrykacji tylko elementów półprzewodnikowych do zastosowania w ogniwach termoelektrycznych. Należy również wskazać, że prowadzone są próby nakładania warstw tellurku bizmutu metodą termicznego natryskiwania. Jednak ze względu na dużą niedokładność metoda ta jest mało efektywna, a wytwarzane układy mało wydajne. Ze względu na otwartą strukturę połączeń półprzewodnikowych „p” i „n” układy te nie mają bezpiecznego zastosowania. Aktualne nasycenie rynku ograniczone jest do prefabrykowanych ogniw termoelektrycznych. Ich ograniczenia są dość znaczne ze względu na całkowity brak odkształcalności i standaryzowane gabaryty. W ostatnim czasie powstała natomiast grupa zastosowań ogniw do wytwarzania elektryczności w tak zwanych turystycznych generatorach energii. Wykorzystując energię cieplną urządzenia te pozwalają na ładowanie niewielkich odbiorników. Trudno jednak w takim przypadku ze względu na wielkość rynku i zastosowane rozwiązania techniczne mówić o skali przemysłowej. Dotychczas prowadzone eksperymentalne próby stosowania prefabrykowanych modułów termoelektrycznych nie mają większych szans na komercjalizację ze względu na ograniczenia produkcyjne i gabarytowe. Kolejnym czynnikiem skutecznie hamującym rozwój tej gałęzi przemysłu jest wysoki jednostkowy koszt ogniw termoelektrycznych.
Z dokumentu patentowego CN 104538542 (A) znany jest sposób wytwarzania wielowarstwowej powłoki z materiałów termoelektrycznych, stosowanych w produkcji termoelektrycznych urządzeń do wytwarzania energii elektrycznej, polegający na wykorzystaniu metody fizycznego osadzania z fazy gazowej. Na odpowiednio wybraną bazę warstwy materiałów termoelektrycznych nanoszone są metodą magnetronowego rozpylania, przy czym grubość pojedynczej warstwy jest większa niż 5 nm.
Z dokumentu RU2165049 znany jest sposób produkcji modułów termoelektrycznych, w których półprzewodniki są wycinane z gotowego bloku/kawałka, izolatory to płytki z tlenku glinu lub tlenku krzemu, a łączenie elementów w gotowy moduł odbywa się poprzez lutowanie. Specjalnie dobrany skład spoiwa lutowniczego umożliwia pracę modułu w wysokiej temperaturze przy zachowaniu stabilności konstrukcji oraz niskiej rezystancji połączeń elektrycznych.
Z dokumentu JPH0311672 znany jest moduł termoelektryczny wysokiej czułości i małych rozmiarów z przeznaczeniem na czujniki temperatury, czujniki nasłonecznienia lub wykrywania promieniowania IR. Ujawniony moduł termoelektryczny wykonany jest poprzez spiekanie dyfuzyjne półprzewodników na bazie tlenków półmetali, co pozwala na zastosowanie go w wysokotemperaturowych aplikacjach.
Z dokumentu JPH03214653 znany jest moduł termoelektryczny o specjalnej konstrukcji, którego wnętrze podlega chłodzeniu poprzez specjalne elementy połączone z zimną stroną części modułu, przez co następuje zmniejszenie spadku wydajności modułu termoelektrycznego na skutek wzrostu temperatury.
W dokumencie DE10231445 ujawniono element termoelektryczny i sposób jego produkcji w szczególności ujawniono sposób wytworzenia elastycznego modułu (stosu) termoelektrycznego na folii wykorzystując procesy typu roll-to-roll, laminowanie i składanie w stosy. Nakładanie materiałów elektrycznie przewodzących oraz półprzewodnikowych na folię odbywa się poprzez napylanie katodowe lub osadzanie z fazy gazowej w procesie CVD. Izolatorem w każdym stosie jest zastosowana folia. Półprzewodniki wykonane są z typowych dla tego typu rozwiązań materiałów składających się z bizmutu, telluru, selenu, antymonu lub krzemu.
PL 234 445 B1
Celem wynalazku jest opracowanie generatora termoelektrycznego w postaci cienkiej powłoki, której zastosowanie na elementach urządzeń, gdzie następuje wymiana ciepła, przyczyni się do zwiększenia efektywności energetycznej tych urządzeń, generujących jednocześnie energię elektryczną wykorzystywaną do zasilania dodatkowej elektroniki, urządzeń zewnętrznych lub kierowaną ponownie do sieci energetycznej. Ponadto, celem wynalazku jest rozwiązanie omówionych na wstępie problemów poprzez zapewnienie środków technicznych do przezwyciężenia niskiej wydajności urządzeń termoelektrycznych oraz zmniejszenie kosztów ich wytwarzania.
Cel ten osiągnięto poprzez opracowanie cienkiej powłoki termoelektrycznej.
Cienka powłoka termoelektryczna działająca według zjawiska Seebeck'a, zawierająca warstwę termoelektryczną z elementami półprzewodnikowymi „p” i „n”, uformowanymi w postaci nie stykających się ze sobą podwarstw, połączonymi ze sobą szeregowo, według wynalazku charakteryzuje się tym, że wykonana jest technologią PVD (Physical Vapour Deposition (fizyczne osadzanie z fazy gazowej)), przy czym podwarstwy półprzewodnikowe „p” i „n” są o grubości od 1 gm do 10 gm i połączone ze sobą szeregowo cienkowarstwowymi elementami przewodzącymi zaopatrzonymi w końcówki przyłączeniowe do wyprowadzenia powstałej energii elektrycznej, przy czym warstwa termoelektryczna izolowana jest obustronnie warstwami izolatora elektrycznego na bazie tlenków nieorganicznych. Korzystnie, szerokość każdej podwarstwy półprzewodnikowej „p” oraz „n” wynosi od 0,1 mm do 2 mm. Korzystnie, podwarstwy półprzewodnikowe „p” i „n” warstwy termoelektrycznej uformowane są w postaci naprzemiennych pierścieni. Korzystnie, cienkowarstwowe elementy przewodzące wykonane są z miedzi i korzystnie posiadają grubość od 1 gm do 5 gm. Korzystnie, warstwy izolatora elektrycznego wykonane są na bazie AI2O3 albo SiO2 albo MgO.
Wynalazek daje możliwość dodatkowego wytwarzania energii elektrycznej pozyskiwanej za pomocą zaimplementowanej w urządzeniach powłoki termoelektrycznej. Zaletami rozwiązania według wynalazku jest bezgłośność i bezwibracyjność wynikająca między innymi z braku jakichkolwiek ruchomych elementów. Ponadto, zapewnia generowanie elektryczności bezpośrednio z różnicy temperatur z pominięciem przekształcenia energii cieplnej w energię kinetyczną, co przyczyni się to do wysokiej niezawodności, bez wzrostu kosztów serwisowania urządzeń.
Wytworzona energia elektryczna może mieć wielorakie zastosowanie, jak na przykład:
- zasilanie podzespołów elektrycznych wchodzących w skład kompletnego urządzenia, takich jak na przykład elementy sterowania czy układy pompowe (podniesienie wydajności energetycznej)
- budowa jednostek autonomicznych niezależnych od zewnętrznego zasilania w energię elektryczną
- oddawanie energii do sieci lokalnej (zmniejszające zapotrzebowanie gospodarstwa domowego na energię elektryczną)
- oddawanie energii do sieci energetycznej (mikro źródła, prosument, energetyka obywatelska)
Wynalazek przedstawiono w przykładzie wykonania na rysunku, na którym przedstawiono powłokę w przekroju poprzecznym.
Cienka powłoka termoelektryczna działająca według zjawiska Seebeck'a zawiera warstwę termoelektryczną 1 z elementami półprzewodnikowymi „p” i „n”, połączenie szeregowe elementów półprzewodnikowych „p” i „n” cienkowarstwowymi elementami przewodzącymi 2a, 2b, oraz warstwy 3a, 3b izolatora elektrycznego. Warstwy powłoki wykonane są technologią PVD na przykład przez: naparowanie, ablację laserową, rozpylanie magnetronowe, rozpylanie filtrowanym łukiem elektrycznym, wzbudzanie par wiązką elektronową. Elementy półprzewodnikowe „p” oraz „n” warstwy termoelektrycznej 1 uformowane są w postaci nie stykających się ze sobą podwarstw półprzewodnikowych w postaci naprzemiennych pierścieni „p” i „n” o grubości d1 od 1 gm do 10 gm, korzystnie 5 gm, i o szerokości s od 0,1 mm do 2 mm, korzystnie 1 mm, które połączone są ze sobą szeregowo cienkowarstwowymi elementami przewodzącymi 2a, 2b, wykonanymi z miedzi, o grubości d2 od 1 do 5 gm, korzystnie 3 gm, zaopatrzonymi w końcówki przyłączeniowe 4, 5, do wyprowadzenia powstałej energii elektrycznej. Podwarstwy półprzewodnikowe typu „p” i „n”, uzyskiwane są z następujących grup materiałów: tellurek ołowiu, selenek cyny, związku telluru, antymonu, bizmutu, nieorganiczne związki klatratowe, skutterydy, związki pół-Heuslerowskie, związki krzemu i germanu. Każda warstwa 3a, 3b izolatora elektrycznego wykonana jest na bazie tlenków nieorganicznych takich jak: AI2O3 lub SO2 lub MgO. Całkowita grubość powłoki nie przekracza 50 gm.
W komorze technologicznej należy najpierw przeprowadzić proces wytworzenia warstwy 3a izolatora elektrycznego, co pozwoli na elektryczne uniezależnienie warstwy termoelektrycznej 1 od podłoża 6. Warstwa izolatora elektrycznego musi być jednorodna i ciągła w swojej strukturze. Zapewni to wysoki
PL 234 445 Β1 poziom odporności na przebicie elektryczne. Następnym krokiem jest wytworzenie odpowiednio zlokalizowanych cienkowarstwowych elementów przewodzących 2a, które będą stanowić podstawę i łączyć elektrycznie podwarstwy półprzewodnikowe „p” i „n”. Istnieje wiele materiałów mogących realizować to zadanie. Biorąc pod uwagę łatwość depozycji oraz dobre przewodnictwo można zastosować miedź. Dzięki połączeniu dwóch odmiennych podwarstw półprzewodnikowych „p” i „n” elementami przewodzącymi 2a, 2b, możliwe będzie uzyskanie przepływu prądu po wystawieniu powłoki na różnicę temperatur. Kryterium doboru materiału zależy między innymi od oczekiwanej wydajności, a co za tym idzie wartości sprawności termoelektrycznej (ZT) oraz przewidywanego zakresu temperatur podczas pracy powłoki. Następnym krokiem jest wytworzenie odpowiednio zlokalizowanych podwarstw półprzewodnikowych „p” i „n”. Kolejnym krokiem jest ponowne wytworzenie odpowiednio zlokalizowanych cienkowarstwowych elementów przewodzących 2b, dopełniających obwód elektryczny warstwy termoelektrycznej 1. Ostatnim krokiem jest wytworzenie drugiej warstwy 3b izolatora elektrycznego.
Zgodnie z teorią Seebeck’a różnica temperatur na obu stronach powłoki wywołuje uporządkowany ruch ładunków w podwarstwach półprzewodnikowych „p” i „n” zawartych w warstwie termoelektrycznej 1. Ze względu na ich szeregowe połączenie pomiędzy skrajnymi punktami przyłączeniowymi - końcówkami 4, 5, pojawia się różnica potencjałów. Otrzymana w ten sposób energia może być wykorzystana do zasilania dodatkowej elektroniki, urządzeń zewnętrznych lub skierowana ponownie do sieci energetycznej.
Claims (6)
- Zastrzeżenia patentowe1. Cienka powłoka termoelektryczna działająca według zjawiska Seebeck’a, zawierająca warstwę termoelektryczną z elementami półprzewodnikowymi „p” i „n” uformowanymi w postaci nie stykających się ze sobą podwarstw, połączonymi ze sobą szeregowo, znamienna tym, że wykonana jest technologią PVD, przy czym podwarstwy półprzewodnikowe „p” i „n” są o grubości (di) od 1 pm do 10 pm, i połączone są ze sobą cienkowarstwowymi elementami przewodzącymi (2a, 2b) zaopatrzonymi w końcówki przyłączeniowe (4, 5) do wyprowadzenia powstałej energii elektrycznej, przy czym warstwa termoelektryczna (1) izolowana jest obustronnie warstwami (3a, 3b) izolatora elektrycznego na bazie tlenków nieorganicznych.
- 2. Powłoka według zastrz. 1, znamienna tym, że szerokość (s) każdej podwarstwy półprzewodnikowej „p” oraz „n” wynosi od 0,1 mm do 2 mm.
- 3. Powłoka według zastrz. 1 albo 2, znamienna tym, że podwarstwy półprzewodnikowe „p” i „n” warstwy termoelektrycznej (1) uformowane są w postaci naprzemiennych pierścieni.
- 4. Powłoka według zastrz. 1, znamienna tym, że cienkowarstwowe elementy przewodzące (2a, 2b) wykonane są z miedzi.
- 5. Powłoka według zastrz. 1 albo 4, znamienna tym, że cienkowarstwowe elementy przewodzące (2a, 2b) posiadają grubość (d2) od 1 pm do 5 pm.
- 6. Powłoka według zastrz. 1, znamienna tym, że warstwy (3a, 3b) izolatora elektrycznego wykonane są na bazie AI2O3 albo S1O2 albo MgO.
Priority Applications (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
PL419347A PL234445B1 (pl) | 2016-11-03 | 2016-11-03 | Cienka powłoka termoelektryczna |
PCT/PL2017/000110 WO2018084727A1 (en) | 2016-11-03 | 2017-10-27 | Thin thermoelectric layer |
ES17808190T ES2878282T3 (es) | 2016-11-03 | 2017-10-27 | Capa termoeléctrica fina |
EP17808190.7A EP3535785B1 (en) | 2016-11-03 | 2017-10-27 | Thin thermoelectric layer |
PL17808190T PL3535785T3 (pl) | 2016-11-03 | 2017-10-27 | Cienka powłoka termoelektryczna |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
PL419347A PL234445B1 (pl) | 2016-11-03 | 2016-11-03 | Cienka powłoka termoelektryczna |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
PL419347A1 PL419347A1 (pl) | 2018-05-07 |
PL234445B1 true PL234445B1 (pl) | 2020-02-28 |
Family
ID=60543628
Family Applications (2)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
PL419347A PL234445B1 (pl) | 2016-11-03 | 2016-11-03 | Cienka powłoka termoelektryczna |
PL17808190T PL3535785T3 (pl) | 2016-11-03 | 2017-10-27 | Cienka powłoka termoelektryczna |
Family Applications After (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
PL17808190T PL3535785T3 (pl) | 2016-11-03 | 2017-10-27 | Cienka powłoka termoelektryczna |
Country Status (4)
Country | Link |
---|---|
EP (1) | EP3535785B1 (pl) |
ES (1) | ES2878282T3 (pl) |
PL (2) | PL234445B1 (pl) |
WO (1) | WO2018084727A1 (pl) |
Family Cites Families (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CA2549826C (en) * | 2003-12-02 | 2014-04-08 | Battelle Memorial Institute | Thermoelectric devices and applications for the same |
JP3879769B1 (ja) * | 2006-02-22 | 2007-02-14 | 株式会社村田製作所 | 熱電変換モジュールおよびその製造方法 |
JP2009194309A (ja) * | 2008-02-18 | 2009-08-27 | Ngk Spark Plug Co Ltd | 熱電モジュール |
CN104538542A (zh) | 2014-12-26 | 2015-04-22 | 上海大学 | 利用物理气相沉积方法制备多层膜热电材料的工艺 |
-
2016
- 2016-11-03 PL PL419347A patent/PL234445B1/pl unknown
-
2017
- 2017-10-27 PL PL17808190T patent/PL3535785T3/pl unknown
- 2017-10-27 ES ES17808190T patent/ES2878282T3/es active Active
- 2017-10-27 EP EP17808190.7A patent/EP3535785B1/en active Active
- 2017-10-27 WO PCT/PL2017/000110 patent/WO2018084727A1/en unknown
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2018084727A1 (en) | 2018-05-11 |
EP3535785B1 (en) | 2021-03-31 |
PL419347A1 (pl) | 2018-05-07 |
ES2878282T3 (es) | 2021-11-18 |
PL3535785T3 (pl) | 2021-07-19 |
EP3535785A1 (en) | 2019-09-11 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US5228923A (en) | Cylindrical thermoelectric cells | |
Li et al. | Bismuth telluride/half‐Heusler segmented thermoelectric unicouple modules provide 12% conversion efficiency | |
JP5600732B2 (ja) | 保護層でコーティングされている熱電材料 | |
El Oualid et al. | Innovative design of bismuth-telluride-based thermoelectric micro-generators with high output power | |
RU124840U1 (ru) | Радиально-кольцевая термоэлектрическая генераторная батарея | |
CN103311262B (zh) | 微型热电器件、制作方法及包括其的温差发电机 | |
Hung et al. | Segmented thermoelectric oxide‐based module for high‐temperature waste heat harvesting | |
CA1232363A (en) | Thermoelectric generator and method for the fabrication thereof | |
JP2012124469A (ja) | 熱電素子及び熱電モジュール | |
Yang et al. | A thin film thermoelectric device fabricated by a self-aligned shadow mask method | |
Mouko et al. | Manufacturing and performances of silicide-based thermoelectric modules | |
Goyal et al. | Fabrication and testing of Mg2Si1-xSnx based thermoelectric generator module | |
TWI620354B (zh) | 具有絕緣性之類鑽石膜層的熱電轉換元件及其製造方法暨熱電轉換模組 | |
KR102022429B1 (ko) | 냉각용 열전모듈 및 그 제조방법 | |
Greppi et al. | Integrated PV-TEG cooling system and support | |
PL234445B1 (pl) | Cienka powłoka termoelektryczna | |
Candolfi et al. | Progress and perspectives in thermoelectric generators for waste-heat recovery and space applications | |
EP3062358A1 (en) | Thermoelectric conversion device having thermoelectric conversion element connected thereto via wiring pattern, and method for manufacturing thermoelectric conversion device having thermoelectric conversion element connected thereto via wiring pattern | |
EP3535531B1 (en) | Fired heat exchanger with a thermoelectric generator | |
US20200203592A1 (en) | Electric power generation from a thin-film based thermoelectric module placed between each hot plate and cold plate of a number of hot plates and cold plates | |
Shelekhov et al. | Evaluation of new possibilities of using thermoelectric generators in systems of renewable energy sources (RES) | |
WO2006006884A1 (fr) | Module thermoelectrique | |
US20230111527A1 (en) | Thermoelectric coating and the method of its application, especially on the elements of the heat exchanger | |
Dussaliyev et al. | A new structure of thin-film thermoelectric generators | |
Onarkulov et al. | Study of diffusion processes in contact areas of thermocouples with metals |