TWI676305B - 熱電材料結構 - Google Patents

Abstract

一種熱電材料結構包括一基板、至少一間隔層以及至少一二維材料層。基板具有一表面。二維材料層與間隔層重疊設置於基板的表面上，且二維材料層於垂直基板之表面的方向上之熱導率小於10W/mK。

Description

熱電材料結構

本發明關於一種材料結構，特別關於一種熱電材料(thermoelectric material)結構。

由於近年來，地球暖化及環保意識等議題備受重視，如何節能減碳及提高能源使用效率一直是研究的主要項目。「熱電材料」是一種能夠在沒有其他特定外力或機件的協助下，使熱能轉換為電能的功能性材料。在目前的產業中，熱電材料可應用於例如熱能致冷器、半導體晶片冷卻、熱電發電機、太空應用、或其他熱能轉換電能的領域中。

熱電材料的能量轉換效率一般取決於材料的熱電優質係數(thermoelectric figure of merit，一般以ZT值來表示)，其公式如下所示：

其中，α為西貝克係數(Seebeck coefficient)，σ為電導率(electrical conductivity)，k為熱導率，其為電子熱導率ke(electron thermal conductivity)與聲子熱導率kL(Phonon thermal conductivity)的和，而T為操作溫度(絕對溫度)。當ZT越高時，表示熱電材料的性能越佳，熱電轉換效率越高。

由上式中可得知，藉由提高西貝克係數α及電導率σ，或是降低熱導率k，可提高ZT值。於習知技術中，大都藉由提高西貝克係數α或電導率σ來提升ZT值，其中又以提高西貝克係數α的效果較為明顯。

本發明的目的為提供一種有別於習知利用提高西貝克係數 或電導率來提升ZT值的熱電材料結構。本發明提出的熱電材料結構，除了具有較低的成本之外，更可因應不同的應用而製作不同特性之熱電材料結構，以得到較高的熱電轉換效率。

為達上述目的，本發明提出一種熱電材料結構，包括一基板、至少一間隔層以及至少一二維材料層。基板具有一表面。二維材料層與間隔層重疊設置於基板的表面上，且二維材料層於垂直基板之表面的方向上之熱導率小於10W/mK。

在一實施例中，間隔層或二維材料層包含導電材料。

在一實施例中，間隔層為二維材料所構成的膜層、奈米粒子、或奈米結構所構成的膜層。

在一實施例中，間隔層的材料為石墨烯、還原氧化石墨烯、碳基與硼基系材料、硫族化合物、磷烯、矽烯、二維材料、熱電材料、C₆₀團簇奈米粒子、導電奈米粒子、導電奈米複合材料粒子、或其組合。

在一實施例中，二維材料層的材料為石墨烯、還原氧化石墨烯、碳基與硼基系材料、硫族化合物、磷烯、矽烯、熱電材料、導電材料、或其組合。

在一實施例中，間隔層設置於二維材料層與基板之間。

在一實施例中，二維材料層設置於間隔層與基板之間。

在一實施例中，間隔層設置於兩個二維材料層之間。

在一實施例中，多個二維材料層重疊後再與間隔層重疊設置。

在一實施例中，該些間隔層與該些二維材料層交錯設置。

在一實施例中，該些間隔層的數量與該些二維材料層的數量相同。

在一實施例中，該些間隔層的數量與該些二維材料層的數量不相同。

在一實施例中，熱電材料結構為軟板或透明板。

承上所述，因本發明的熱電材料結構中，包含至少一間隔層與至少一二維材料層，而二維材料層與間隔層重疊設置於基板的表面上， 且二維材料層於垂直基板表面的方向上之熱導率小於10W/mK。因此，藉由上述的結構設計，可使本發明有別於習知利用提高西貝克係數或電導率來提升ZT值的技術。另外，本發明除了具有較低的成本外，更可因應不同的應用需求而製作出客製化且特性不同的熱電材料結構，以得到較高的熱電轉換效率。

1、1a~1d‧‧‧熱電材料結構

11‧‧‧基板

111、112‧‧‧表面

12‧‧‧間隔層

121‧‧‧奈米粒子

13‧‧‧二維材料層

D1、D2‧‧‧方向

圖1為本發明較佳實施例的一種熱電材料結構的示意圖。

圖2A至圖3D分別為本發明不同實施態樣之熱電材料結構的示意圖。

以下將參照相關圖式，說明依本發明較佳實施例的熱電材料結構，其中相同的元件將以相同的參照符號加以說明。

在習知技術中，為了使熱電材料有較好的能量轉換效率，大都藉由提高西貝克係數α或電導率σ來提升熱電轉換材料的ZT值。但是，本發明的熱電材料結構則是藉由降低轉換材料的熱導率k來提升其ZT值，藉此使熱電材料結構具有較高的能量轉換效率。

以下的「二維材料」指的是長、寬、高三維中，僅有高(厚)度是奈米尺度，亦即形狀是平面，但高度為奈米等級(例如但不限於1~100奈米之間)的材料。

請參照圖1所示，其為本發明較佳實施例的一種熱電材料結構1的示意圖。

熱電材料結構1包括一基板11、至少一間隔層12以及至少一二維材料層13。

基板11具有一表面111。於此，表面111為基板11的上表面。基板11的材料可例如但不限於玻璃、石英(Quartz)、金屬、非金屬、或其他材料所構成的基材；或者，基板11亦可為硬板(例如印刷電路板)、軟板、透明板、或其他可供設置間隔層12與二維材料層13的基材，本發明並不限制其材料。本實施例是以一層間隔層12與一層二維材料層13重 疊後設置於基板11的表面111，而且間隔層12設置於二維材料層13與基板11之間為例，然並不以此為限，在不同的實施例中，二維材料層13亦可位於間隔層12與基板11之間。

間隔層12可為奈米粒子或奈米結構所構成的膜層而具有複數奈米粒子(奈米粒子層)。如圖1所示，間隔層12的材料可為C₆₀團簇(clusters)奈米粒子、導電奈米粒子、導電奈米複合材料粒子或其組合。其中，導電奈米粒子可包含金屬(例如Au)奈米粒子、合金奈米粒子、金屬氧化物(例如CuO或Cu₂O)奈米粒子、金屬核心(Core-shell)奈米粒子、或半導體導電奈米粒子。金屬核心奈米粒子可例如為金屬核心外圍包覆氧化物或包覆聚合物，並不限定。本實施例的間隔層12是以具有複數奈米粒子121的導電奈米粒子層為例。在一些實施例中，如圖2A所示，於間隔層12中的奈米粒子中，多顆的奈米粒子121也可粘附成團狀物，本發明並不限制。

或者，在另一些實施例中，間隔層12亦可為二維材料所構成的膜層(二維材料層)。如圖2B所示，間隔層12的材料也可為石墨烯(Graphene)、還原氧化石墨烯(Reduced graphene oxide,rGO)、碳基與硼基系(B-C-N)材料、硫族化合物(Chalcogenides，例如二硫化鉬(MoS₂))、磷烯(Phosphorene)、矽烯(Silicene)、熱電材料(例如Bi₂Te₃、Sb₂Te₃、或其他熱電材料)、或其組合，本發明皆不限制。

間隔層12或二維材料層13包含導電材料。本實施例是以間隔層12與二維材料層13均具有導電材料為例。具體來說，間隔層12與二維材料層13均為電的良導體或半導體，電子容易於間隔層12或二維材料層13本身，或間隔層12與二維材料層13之間跨層(cross-plane)傳輸。於此，跨層方向就是垂直基板11之表面111的方向D1。本實施例的間隔層12的厚度亦為奈米等級時(例如直徑在50奈米以下)，能允許電流跨層傳播，但是會阻擋熱能跨層傳播。因此，跨層方向(方向D1)的電子熱導率ke與聲子熱導率kL較低，使得熱電材料結構1的整體熱導率k較低。具體來說，本實施例的間隔層12可允許電子跨層傳播(可導電)，但對於熱量來說，並不易跨層傳播，亦即間隔層12的跨層導熱效果很差，具有絕熱效果。

二維材料層13於垂直基板11之表面111的方向D1上之熱導率小於10瓦特/公尺-K(W/mk)。顧名思義，二維材料層13的厚度是奈米等級，且於跨層方向上的熱導率小於10W/mK。因此，由基板11的下表面(表面112)傳輸至基板11之上表面(表面111)的熱量不易往二維材料層13(的上表面)傳輸，因此，二維材料層13亦具有絕熱的效果。

二維材料層13的材料可為石墨烯(Graphene)、還原氧化石墨烯(Reduced graphene oxide,rGO)、碳基與硼基系(B-C-N)材料、硫族化合物(Chalcogenides)、磷烯(Phosphorene)、矽烯(Silicene)、熱電材料(例如Bi₂Te₃、Sb₂Te₃、其他熱電材料)、導電材料、或其組合。而導電材料例如為金屬導電材料、合金導電材料、或半導體導電材料，並不限制。在一些實施例中，二維材料層13的材料例如為石墨烯，其跨層方向(方向D1)的熱導率小於0.001W/Mk(石墨烯於平行基板11之表面111的方向D2上的熱導率卻相當高，例如大於200W/mK)。在一些實施例中，基板11的下表面(表面112)可具有較高的溫度，使得熱量可由基板11的表面112往基板11的表面111傳遞，但是，由於二維材料層13於方向D1的熱導率較小，因此，熱量也不易由基板11的表面111往二維材料層13(的上表面)傳輸，故使得整體的熱電材料結構1具有很低的熱導率k。

此外，在製造的工藝上，可例如但不限於以化學氣相沉積(Chemical Vapor Deposition，CVD)法將石墨烯材料製作成二維材料層，藉此，可降低熱電材料結構1的製作成本。

請參照圖3A至圖3D所示，其分別為本發明不同實施態樣之熱電材料結構1a~1d的示意圖。

如圖3A所示，熱電材料結構1a與圖1的熱電材料結構1主要的不同在於，熱電材料結構1a的二維材料層13是設置於間隔層12與基板11之間，而且間隔層12設置於兩個二維材料層13之間；即二個二維材料層13包夾間隔層12而重疊設置表面111上。具體來說，本實施態樣由下而上依序為一層二維材料層13、一層間隔層12與另一層二維材料層13重疊設置後，設置於基板11的表面111上。因此，間隔層12的數量(1) 與二維材料層13的數量(2)不相同。此外，本實施態樣的間隔層12亦為二維材料所構成的膜層(簡稱為另一二維材料層)。不過，在不同的實施態樣中，亦可將由二維材料構成的間隔層12更換成具有奈米粒子、或奈米結構的間隔層12，並不限制。

在一實施例中，基板11可為石英板，兩個二維材料層13的材料可分別為石墨烯，且間隔層12為二硫化鉬(MoS₂)的二維材料膜層，經實際量測的結果(於室溫量測)，其ZT值可達到1.58。

另外，如圖3B所示，本實施態樣的熱電材料結構1b為多個二維材料層13重疊後再與間隔層12重疊設置。即二個二維材料層13包夾間隔層12；再和一個間隔層12與一個二維材料層13彼此交錯的疊加而重疊設置表面111上。具體來說，本實施態樣由下而上依序為一層間隔層12、一層二維材料層13、另一層二維材料層13、一層間隔層12與另一層二維材料層13重疊設置，再設置於基板11的表面上。因此，間隔層12的數量(2)與二維材料層13的數量(3)不相同。另外，本實施態樣的間隔層12亦為奈米粒子所構成的膜層。不過，在不同的實施態樣中，亦可將部分或全部之奈米粒子構成的間隔層12更換成二維材料的間隔層12，並不限制。此外，本實施態樣是二層的二維材料層13重疊之後再與一間隔層12重疊，當然，在不同的實施例中，亦可三層或三層以上的二維材料層13重疊之後再與間隔層12重疊，並不限制。

另外，如圖3C所示，本實施態樣的熱電材料結構1c為多層的間隔層12與多層的二維材料層13交錯設置。具體來說，本實施態樣由下而上分別為三層的間隔層12與二維材料層13交錯且重疊設置後，設置於基板11的表面上；即三個間隔層12與三個二維材料層13彼此交錯而重疊設置表面111上。因此，間隔層12的數量(3)與二維材料層13的數量(3)相同。在不同的實施態樣中，亦可將部分或全部之奈米粒子構成的間隔層12更換成二維材料的間隔層12，並不限制。

在一實施例中，於熱電材料結構1c中，基板11可為玻璃板，二維材料層13的材料為石墨烯，且間隔層12的材料為氧化銅(CuO)奈米粒子，經實際量測的結果(於室溫量測)，其ZT值可介於0.23與0.29之間。 特別說明的是，因為是室溫量測(可能不是熱電材料結構1c適合的工作溫度)，故量測得到的ZT值較低。此外，在另一實施例中，基板11為玻璃板，二維材料層13的材料為石墨烯，且間隔層12的材料為金(Au)奈米粒子，經實際量測的結果(於室溫量測)，其ZT值可達到1.08。

另外，如圖3D所示，本實施態樣的熱電材料結構1d亦為多層的間隔層12與多層的二維材料層13交錯設置。具體來說，本實施態樣由下而上分別為五層的間隔層12與二維材料層13交錯且重疊設置，再設置於基板11的表面上；即五個間隔層12與五個二維材料層13彼此交錯而重疊設置表面111上。因此，間隔層12的數量(5)與二維材料層13的數量(5)亦相同。在不同的實施態樣中，亦可將部分或全部之奈米粒子構成的間隔層12更換成二維材料的間隔層12。或者，將更多層的間隔層12與更多層的二維材料層13交錯設置於基板11上，本發明皆不限制。

在一實施例中，於熱電材料結構1d中，基板11可為玻璃板，二維材料層13的材料為石墨烯，且間隔層12的材料為C₆₀團簇奈米粒子，經實際量測的結果(於室溫量測)，其ZT值可達到介於1.21與1.27之間。

此外，熱電材料結構1a~1d的基板11、間隔層12與二維材料層13的其他技術特徵可參照熱電材料結構1的相同元件，不再贅述。

由上述中可知，本發明提出的熱電材料結構具有廣泛的不同材料組合，而且可依據使用者的需求而用於不同的應用上，利用間隔層與二維材料層的不同材料、不同數量且層疊而設置於基板上，可使整體的熱電材料結構具有較低的熱導率，藉此製作出具有不同特性(不同ZT值)之熱電轉換材料結構。由於不同的熱電材料結構可能會有不同的最佳操作溫度，因此，設計者可以依據不同的操作溫度與應用需求，利用層疊結構而製作客製化且具有較高ZT值的熱電材料結構，以得到較高的熱電轉換效率。

另外，由於間隔層與二維材料層皆相當薄而可透光，因此，在一些實施例中，若搭配透光的基板(例如透明玻璃)時，則使熱電材料結構成為可透光的透明板。或者，由於間隔層與二維材料層皆相當薄而具有可撓性，因此，也可貼附於可撓性的基板上，使得熱電材料結構成為軟 板而應用於非平面的設備上。

舉例來說，當應用於建築時，可依據其應用需求(不同操作溫度下的ZT值需求)將間隔層與二維材料層重疊後貼附於房屋的玻璃(基板)上，藉此，除了不會阻礙光線進入室內外，也可利用熱電材料結構具有較高的ZT值的特性來提升其熱電轉換效率。在另一些應用例中，由於太陽光線照射到太陽能電池時，只有少部分的能量可用以發電，大部分的能量會變成熱能而散失，因此，若將本結構設計中具有較高ZT值的熱電材料結構應用於太陽能電池時，則可提升太陽能電池的轉換效率。

承上所述，本發明的熱電材料結構的成本較低，而且可因應不同應用而製作不同特性之熱電轉換材料。本發明是透過降低材料的熱導率k來提高熱電優質係數(ZT值)，藉此得到較高的熱電轉換效率。此外，將本發明的結構應用在適當的操作溫度環境下，則可因較高的ZT值而可提升熱能轉換成電壓的轉換效率。

綜上所述，因本發明的熱電材料結構中，包含至少一間隔層與至少一二維材料層，而二維材料層與間隔層重疊設置於基板的表面上，且二維材料層於垂直基板表面的方向上之熱導率小於10W/mK。因此，藉由上述的結構設計，可使本發明有別於習知利用提高西貝克係數或電導率來提升ZT值的技術。另外，本發明除了具有較低的成本外，更可因應不同的應用需求而製作出客製化且特性不同的熱電材料結構，以得到較高的熱電轉換效率。

以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明的精神與範疇，而對其進行的等效修改或變更，均應包含於後附的申請專利範圍中。

Claims (11)

1. 一種熱電材料結構，包括：一基板，具有一表面；多個間隔層，其材料包括C₆₀團簇奈米粒子、導電奈米粒子、導電奈米複合材料粒子、或其組合；以及多個二維材料層，與該多個間隔層重疊設置於該基板的該表面上，其中，多個間隔層與多個二維材料層彼此重疊且以該間隔層設置於該表面上；且該二維材料層於垂直該表面的方向上之熱導率小於10W/mK；該間隔層設置於兩個該二維材料層之間。
2. 一種熱電材料結構，包括：一基板，具有一表面；多個間隔層，其材料包括C₆₀團簇奈米粒子、導電奈米粒子、導電奈米複合材料粒子、或其組合；以及多個二維材料層，與該多個間隔層重疊設置於該基板的該表面上，其中，多個間隔層與多個二維材料層彼此重疊且以該間隔層設置於該表面上；且該二維材料層於垂直該表面的方向上之熱導率小於10W/mK；多個二維材料層重疊後再與至少一個該間隔層重疊設置。
3. 如申請專利範圍第1或2項所述的熱電材料結構，其中該間隔層或該二維材料層包含導電材料。
4. 如申請專利範圍第1或2項所述的熱電材料結構，其中該間隔層為二維材料所構成的膜層、奈米粒子、或奈米結構所構成的膜層。
5. 如申請專利範圍第1或2項所述的熱電材料結構，其中該間隔層的材料為石墨烯、還原氧化石墨烯、碳基與硼基系材料、硫族化合物、磷烯、矽烯、二維材料、熱電材料、或其組合。
6. 如申請專利範圍第1或2項所述的熱電材料結構，其中該二維材料層的材料為石墨烯、還原氧化石墨烯、碳基與硼基系材料、硫族化合物、磷烯、矽烯、熱電材料、導電材料、或其組合。
7. 如申請專利範圍第1或2項所述的熱電材料結構，其中該間隔層設置於該二維材料層與該基板之間。
8. 如申請專利範圍第1或2項所述的熱電材料結構，其中該二維材料層設置於該間隔層與該基板之間。
9. 如申請專利範圍第1或2項所述的熱電材料結構，其中該些間隔層的數量與該些二維材料層的數量相同。
10. 如申請專利範圍第1或2項所述的熱電材料結構，其中該些間隔層的數量與該些二維材料層的數量不相同。
11. 如申請專利範圍第1或2項所述的熱電材料結構，其為軟板或透明板。