TWI473249B - 光致冷裝置及其製備方法 - Google Patents

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Description

光致冷裝置及其製備方法
本發明是有關於一種冷卻裝置，且特別是有關於一種光致冷裝置。
1823年，Seebeck發現由兩種不同金屬接合而成的線路上，若兩接點間有溫差時，即會產生電位差。這個現象即是熱電偶(thermal couples)測量溫度梯度及熱電產生器(thermoelectric generator)之工作原理。12年後，Peltier則發現若由兩種不同金屬接合成的線路上通電流，其中一接點會放熱而另一接點則會吸熱，這個現象即是熱電致冷器(thermoelectric cooler)之工作原理。由於一般材料的熱電效率低，因此直到1954年，Goldsmid和Douglas用有較高熱電效應的半導體材料，可將溫度冷卻至0℃以下，才因此引起全球性的研發熱潮。
請參考第1圖，其係繪示習知一種熱電致冷晶片的結構示意圖。一般熱電致冷晶片係將P型半導體110與N型半導體120以P-N-P-N-……方式串聯起來，再串聯直流電源130，形成封閉的迴路100。因此，電流從P型半導體110至N型半導體120的電路接點會放熱，為熱接點140。電流從N型半導體120至P型半導體110的電路接點部分會吸熱，為冷接點150。熱接點140所放出熱量和冷接點150所吸收熱量的大小由迴路100中之電流大小來決定。
但是，要將上述之熱電致冷晶片應用在個人隨身物品 上，必須要裝上直流電源(如電池或太陽能電池)才能使用，顯然太笨重了些。因此，有需要改善上述之熱電致冷晶片，製造出更為輕巧方便的致冷晶片，以利應用於個人隨身物品上。
因此，本發明之一態樣是在提供一種光致冷裝置，其不需要任何儲電裝置及供電裝置，即可發揮光致冷的功效。
上述之光致冷裝置包含具有多對第一端點與第二端點之電路層，以及多對N型光電半導體層與P型半導體層。上述之N型光電半導體層分別一一與第一端點電性連接，上述之P型半導體層分別一一與第二端點電性連接。而且，P型半導體層分別一一與N型光電半導體層部分重疊並直接接觸，以構成串聯之複數個PN接合結構。
依據本發明一實施例，上述之電路層的材料包含銀漿，其包含銀粉與熱塑性高分子。銀漿的面電阻值較佳為≦40 m Ω/□/mil。
依據本發明另一實施例，上述之電路層的材料包含上述之銀漿。
依據本發明又一實施例，上述之N型光電半導體層的材料組成包含上述之銀漿與能吸收太陽光之一光電材料。上述之光電材料例如可為能吸收紫外光之一有機金屬材料或一夜光粉。上述之能吸收紫外光的有機金屬材料，例如可為2-甲基-8-羥基喹啉鋅[Zn(mq)2 ]、8-羥基喹啉鋅(Znq2 )、鈉硼2-甲基-8-羥基喹啉[NaB(mq)4 ]或鈉硼8-羥基喹啉(NaBq4 )。
依據本發明再一實施例，上述之電路層的材料包含上述之銀漿與上述之光電材料。
依據本發明又一實施例，上述之P型半導體層的材料組成包含上述之銀漿與以碳原子為主結構的半導體材料，例如可為石墨烯、富樂烯、富樂烯的衍生物或奈米碳管。
本發明之另一態樣是在提供上述光致冷裝置的製造方法。
首先，分別配製銀漿的漿料、N型光電半導體層的漿料及P型半導體層的漿料。接著，以網版印刷法分別網印電路層、N型光電半導體層與P型半導體層於基材上。
上述發明內容旨在提供本揭示內容的簡化摘要，以使閱讀者對本揭示內容具備基本的理解。此發明內容並非本揭示內容的完整概述，且其用意並非在指出本發明實施例的重要/關鍵元件或界定本發明的範圍。在參閱下文實施方式後，本發明所屬技術領域中具有通常知識者當可輕易瞭解本發明之基本精神及其他發明目的，以及本發明所採用之技術手段與實施態樣。
依據上述，提供一種光致冷裝置。此光致冷裝置不需要任何的儲電裝置及供電裝置，即可發揮光致冷的功效。在下面的敘述中，將會介紹上述之光致冷裝置的例示結構與其例示之製造方法。為了容易瞭解所述實施例之故，下面將會提供不少技術細節。當然，並不是所有的實施例皆需要這些技術細節。同時，一些廣為人知之結構或元件，僅會以示意的方式在圖式中繪出，以適當地簡化圖式內容。
光致冷裝置
請參照第2圖，其係繪示依照本發明一實施方式的一種光致冷裝置之整體結構俯視示意圖(上方)以及分層結構示意圖(下方)。在第2圖中，光致冷裝置200包含多對部分重疊接觸之N型光電半導體層220與P型半導體層230，以及將每一對N型光電半導體層220與P型半導體層230(下面簡稱為PN對)串聯起來之電路層210。在每對PN對中，N型光電半導體層220與P型半導體層230的上下層堆疊順序並沒有特別限制，不論何者位於上層皆可產生光致冷的效果。
在第2圖下方之分層結構示意圖中，電路層210具有多對之端點。在每對端點中，其中一端點設有第一端子215a，另一端點設有第二端子215b。每一個N型光電半導體層220分別一一與第一端子215a重疊接觸以彼此電性連接，每一個P型半導體層230分別一一與第二端子215b重疊接觸以彼此電性連接。而且，每一個N型光電半導體層220分別與每一個P型半導體層230部分重疊接觸，以構成多個PN接合結構(PN junction)240(請見第2圖的上方圖式)。因此，上述之每一對PN對可視為串聯之N型光電半導體層220、PN接合結構240以及P型半導體層230。
上述之電路層210的材料包含乾燥後之銀漿，其面電阻值較佳為≦40 m Ω/□/mil。一般銀漿是由銀粉分散在熱塑性樹脂中而成，通常還具有溶劑與一些助劑，以增加銀漿的加工性。上述之熱塑性樹脂例如可為聚氯乙烯 (polyvinyl chloride；PVC)，而助劑例如可為分散劑、流平劑、銀粉的抗氧化劑或穩定劑等。銀粉的外形較佳為片狀，其粒徑較佳為3-5 μm。
上述N型光電半導體層220的材料，除了上述電路層210所用的銀漿之外，還加入能吸收太陽光之一光電材料。上述之光電材料例如可為能吸收紫外光的有機金屬材料或夜光粉(如SrAl2 O4 ：Eu)。能吸收紫外光的有機金屬材料例如可為2-甲基-8-羥基喹啉鋅[Zn(mq)2 ]、8-羥基喹啉鋅(Znq2 )、鈉硼2-甲基-8-羥基喹啉[NaB(mq)4 ]或鈉硼8-羥基喹啉(NaBq4 )。上述有機金屬材料化學式之mq為2-甲基-8-羥基喹啉(2-Methyl-8-hydroxy quinoline)的縮寫，q為8-羥基喹啉(8-hydroxyquinoline)的縮寫。
上述P型半導體層230的材料，除了上述電路層210所用的銀漿之外，還加入以碳原子為主結構的半導體材料，例如可為石墨烯(graphene)、富樂烯(fullerene)、富樂烯的衍生物或奈米碳管(carbon nanotube)。
請參照第3圖，其係繪示依照本發明一實施方式的一種光致冷裝置之整體結構俯視示意圖(上方)以及分層結構示意圖(下方)。在第3圖中，光致冷裝置300包含多對部分重疊接觸之N型光電半導體層320與P型半導體層330，以及將每一對N型光電半導體層320與P型半導體層330(下面簡稱為PN對)串聯起來之電路層310。在每對PN對中，N型光電半導體層320與P型半導體層330的上下層堆疊順序並沒有特別限制，不論何者位於上層皆可產生光致冷的效果。
在第3圖下方之分層結構示意圖中，電路層310具有 多對端點。在每對端點中，其中一端點直接與N型光電半導體層320相接，另一端則設有端子315，與P型半導體層330重疊接觸以彼此電性連接。而且，每一個N型光電半導體層320分別與每一個P型半導體層330部分重疊接觸，以構成多個PN接合結構(PN junction)340(請見第3圖的上方圖式)。因此，上述之每一對PN對可視為串聯之N型光電半導體層320、PN接合結構340以及P型半導體層330。
上述電路層310、端子315與N型光電半導體層320的材料相同，包含上述之銀漿與能吸收太陽光的光電材料或夜光粉。上述P型半導體層330的材料包含上述之銀漿與以碳原子為主結構的半導體材料。
依據第2、3圖所示光致冷裝置200、300的結構，目前發明人推測由於N型光電半導體層220、320中之有機金屬材料可以吸收紫外光，產生電子電洞對，並藉由PN接合結構240、340將電子電洞對分開，而產生光電流。因此，PN接合結構240、340可視為一太陽能電池，供應此光致冷裝置200、300所需的電流。而PN接合結構240、340外之N型光電半導體層220、320與P型半導體層230、330則分別類似於熱電致冷晶片中之串連的N型半導體與P型半導體。因此，上述之光致冷裝置200、300可直接利用光能，而產生冷卻效用，亦即光致冷的效用。上述之解釋僅提供為協助了解上述光致冷裝置之用，並非用於限制本發明的保護範圍。本發明的保護範圍當以後面所附之申請專利範圍為準。
光致冷裝置的製備方法
上述第2圖之光致冷裝置200的製造方法包含下述各步驟。首先，分別配製銀漿的漿料、N型光電半導體層的漿料及P型半導體層的漿料。接著，以網版印刷法在基材上分別網印同一層之電路層210、第一端子215a與第二端子215b，以及不同層之N型光電半導體層220與P型半導體層230，待乾燥後即形成第2圖之光致冷裝置200。
上述第3圖之光致冷裝置300的製造方法包含下述各步驟。首先，分別配製N型光電半導體層的漿料及P型半導體層的漿料。接著，以網版印刷法在基材上分別網印同一層之電路層310、端子315與N型光電半導體層以及不同層之P型半導體層330，待乾燥後即形成第3圖之光致冷裝置300。
上述之基材的形式例如可為織物結合塑膠薄膜，或是織物結合塑膠塗膜。上述塑膠薄膜或是塑膠塗膜的塑膠材料例如可為聚對苯二甲酸乙二酯(Polyethylene terephthalate；PET)或聚氨酯(polyurethanes；PU)
因此，為了網版印刷法之故，上述銀漿的黏度較佳為30,000-45,000 cps，更佳為35,000-40,000 cps。為了讓乾燥後之銀漿的面電阻值較佳為≦40 m Ω/□/mil，銀漿中銀粉的適宜含量為60-70 wt%。
N型光電半導體層的漿料為在上述銀漿中添加能吸收太陽光的光電材料而成。在N型光電半導體層的漿料中，能吸收太陽光的光電材料與銀漿的重量比可為1：5至1：25，例如為1：5、1：10、1：15、1：20或1：25。
P型半導體層的漿料為在上述銀漿中添加以碳原子為主結構的半導體材料而成。在P型光電半導體層的漿料中，以碳原子為主結構的半導體材料與銀漿的重量比可為1：10至1：50，例如為1：10、1：15、1：20、1：25、1：30、1：35、1：40、1：45或1：50。
上述網版印刷法所用之網版目數較佳為100-300目，視漿料厚度與基材的材料而定。例如，若欲在基材上網版印刷出較厚的漿料，則需減少網版目數，例如使用100目來進行網版印刷。又例如，若基材的材料為一般投影片時，較佳為使用200-300目來進行網版印刷，更佳為使用300目來進行網版印刷。
實施例一
在此實施例中，採用第2圖的光致冷裝置200的結構。其中基材的材料為聚對苯二甲酸乙二酯(Polyethylene terephthalate；PET)的投影片，以300目來進行網版印刷來製備PN對串聯數目不等之光致冷裝置。同時，還製備PN對並聯之比較例，以找出較佳之光致冷裝置的實施方式。其中，每個N型光電半導體層與P型半導體層的面積大小為0.8 cm×2 cm，重疊部分之PN接合結構的面積大小為0.8 cm×1.2-1.5 cm。
各層所使用銀漿之面電阻值為≦40 m Ω/□/mil，購自台灣愛廸科技股份有限公司，型號為EA-510之導電銀膠。N型光電半導體層所使用之光電材料為2-甲基-8-羥基喹啉鋅[Zn(mq)2 ]，其與銀漿之重量比為1：10。P型半導體層所 使用之以碳原子為主結構的半導體材料為石墨烯，其與銀漿之重量比為1：20。
光致冷測試所使用的光源為500 W的白熾光，距離投影片的距離為30 cm。測試結果列於下面的表一中。
由上表的數據可知，空白投影片(樣品1)在白熾光的照射下，背光面的溫度較高，此乃因為投影片背光面下方為玻璃基座，而玻璃基座有蓄熱現象而造成的。而只有印刷 銀漿的控制組(樣品2)與並聯6組PN對的比較例(樣品6)皆是照光面的溫度較高，約高1.5℃左右，可見將PN對並聯是無法產生光致冷效應。而串聯的實驗組(樣品4、5)部分，當串聯的PN對數目越多，其照光面與背光面的溫差就越大。最奇特的是，當各材料層的印刷順序不同時(樣品3、4)，照光面與背光面的溫差也會因此不同。
實施例二
在此實施例中，基材為不同色之布上貼附PET薄膜。以網版印刷來製備PN對串聯數目不等之光致冷裝置。其中，每個N型光電半導體層與P型半導體層的面積大小為0.8 cm×2 cm，重疊部分之PN接合結構的面積大小為0.8 cm×1.2-1.5 cm。
各層所使用銀漿之面電阻值為≦40 m Ω/□/mil，購自台灣愛廸科技股份有限公司，型號為EA-510之導電銀膠。N型光電半導體層含有能吸收紫外光的有機金屬材料[NaB(mq)4 或Zn(mq)2 ]或夜光粉，P型半導體層含有石墨烯。上述含有夜光粉之N型光電半導體層以100目的網版來進行印刷，而含有能吸收紫外光的有機金屬材料之N型光電半導體層與含有石墨烯的P型光電半導體層則以200目的網版來進行印刷。
光致冷測試所使用的光源為500 W的白熾光，距離基材的距離為30 cm。測試結果分別列於下面的表二至表四中。
從上面的表二至表四的數據中可以觀察到控制組的樣品8、13、18的溫差皆大於空白組的樣品7、12、17的溫 差，此結果顯示單純銀漿也有一定的隔熱效果。
而在表二至表四的實驗組(樣品9-11、14-16、19-21)數據中，可以看到當PN對串聯的數目增加時，溫差也跟著增加。此結果顯示，PN對串聯的數目越多，則光致冷的效果越好。在各實驗組的樣品中，效果最好者為樣品21，其溫差可以高達11.2℃；效果次之者為樣品20，其溫差也高達10.7℃，顯示此光致冷裝置的優異光致冷效果。
比較表三與表四的相關實驗資訊與數據，表三實驗所用的布顏色較淺(灰色)，所用的能吸收紫外光的有機金屬材料為NaB(mq)4 ；表四實驗所用的布顏色較深(深藍色)，所用的能吸收紫外光的有機金屬材料為Zn(mq)2 。當只有基材或是PN對的串聯數目為3時，兩者的光致冷效果差不多。但是當PN對的串聯數目增加至6-12時，表四樣品20、21的光致冷效率明顯地比表三樣品15、16要好很多。推測其原因可能是N型光電半導體層中所用的能吸收紫外光的有機金屬材料Zn(mq)2 之光致冷效果比NaB(mq)4 的光致冷好之故。
另外，比較實施例一與實施例二的結果。實施例一與實施例二的第一個不同點為實施例一的電路層材料只有銀漿，而實施例二的電路層材料則添加了上述之光電材料。因此，實施例二不僅可減少一道使用銀漿網印電路層的步驟，還讓可行光電反應的面積增加，加強光致冷的效果。
第二個不同點為實施例一的基材材料只有塑膠薄膜，而而實施例二的基材材料則在塑膠薄膜下結合織物。因此，實施例二結合塑膠薄膜與織物做為基材，不僅可以提供網印時所需的平整性，又可以將此基材結構應用於衣物 上。
因此，由上述本發明實施方式可知，簡單地利用串聯起來的部分重疊之PN半導體材料層，即可產生光致冷效果，並不需要再外加任何的直流電源。因此，可利用此光致冷裝置的原型來製造出輕巧方便的致冷晶片，以利應用於個人隨身物品及衣物上。
雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧迴路
110‧‧‧P型半導體
120‧‧‧N型半導體
130‧‧‧直流電源
140‧‧‧熱接點
150‧‧‧冷接點
200、300‧‧‧光致冷裝置
210、310‧‧‧電路層
215a‧‧‧第一端子
215b‧‧‧第二端子
220、320‧‧‧N型光電半導體層
230、330‧‧‧P型半導體層
240、340‧‧‧PN接合結構
315‧‧‧端子
第1圖係繪示習知一種熱電致冷晶片的結構示意圖。
第2圖係繪示依照本發明一實施方式的一種光致冷裝置之整體結構俯視示意圖(上方)以及分層結構示意圖(下方)。
第3圖係繪示依照本發明另一實施方式的一種光致冷裝置之整體結構俯視示意圖(上方)以及分層結構示意圖(下方)。
200‧‧‧光致冷裝置
210‧‧‧電路層
215a‧‧‧第一端子
215b‧‧‧第二端子
220‧‧‧N型光電半導體層
230‧‧‧P型半導體層
240‧‧‧PN接合結構

Claims (13)

  1. 一種光致冷裝置，其包含：一電路層，位於一基材上，該電路層具有複數對第一端點與第二端點；以及複數對部分重疊接觸之N型光電半導體層與P型半導體層位於該基材上，以構成串聯之複數個PN接合結構，其中該些N型光電半導體層分別一一與該些第一端點電性連接，該些P型半導體層分別一一與該些第二端點電性連接，且該些P型半導體層分別一一與該些N型光電半導體層部分重疊並直接接觸，其中該些N型光電半導體層的材料組成包含能吸收太陽光之一光電材料與一銀漿，該光電材料為能吸收紫外光之一有機金屬材料或一夜光粉，該些P型半導體層的材料組成包含以碳原子為主結構的半導體材料與該銀漿，該光致冷裝置不需要儲電裝置及供電裝置，即可發揮光致冷的功效。
  2. 如請求項1所述之光致冷裝置，其中該銀漿包含銀粉與一熱塑性高分子。
  3. 如請求項1所述之光致冷裝置，該銀漿的面電阻為≦40 m Ω/□/mil。
  4. 如請求項1所述之光致冷裝置，其中該銀漿的黏度為30,000-45,000 cps。
  5. 如請求項1所述之光致冷裝置，其中該電路層的材料包含該銀漿。
  6. 如請求項1所述之光致冷裝置，其中該N型光電半導體層包含重量比為1：5至1：25之該光電材料與該銀漿。
  7. 如請求項1所述之光致冷裝置，其中該電路層的材料包含重量比為1：5至1：25之該光電材料與該銀漿。
  8. 如請求項1所述之光致冷裝置，其中該有機金屬材料為2-甲基-8-羥基喹啉鋅[Zn(mq)2 ]、8-羥基喹啉鋅(Znq2 )、硼鈉2-甲基-8-羥基喹啉[NaB(mq)4 ]或硼鈉8-羥基喹啉(NaBq4 )。
  9. 如請求項1所述之光致冷裝置，其中該夜光粉的材料包括SrAl2 O4 ：Eu。
  10. 如請求項1所述之光致冷裝置，其中該P型半導體層包含重量比為1：10至1：50之碳原子為主結構之該半導體材料與該銀漿。
  11. 如請求項1所述之光致冷裝置，其中以碳原子為主結構之該半導體材料為石墨烯、富樂烯、富樂烯的衍生物或奈米碳管。
  12. 一種如請求項1-11任一項之光致冷裝置的製造方法，該製造方法包含：分別配製該銀漿的漿料、該N型光電半導體層的漿料及該P型半導體層的漿料；以及以網版印刷法分別網印該電路層、該N型光電半導體層與該P型半導體層於該基材上。
  13. 如請求項12所述之製造方法，其中該網版印刷法所用之網版目數為100-300目。
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