[发明专利]薄膜式热电转换组件、装置及其堆叠组件

说明书

技术领域

本发明涉及一种薄膜式热电转换组件及其堆叠组件，且特别是关于一种在应用后可具有高热电转换效能的薄膜式热电转换组件及其堆叠组件。

背景技术

热电转换组件(Thermoelectric module/device)是一种具有热与电两种能量互相转换特性的组件，由于其热电转换特性，因此具有致冷/加热以及发电两种应用领域。若对热电转换组件通入直流电，可使组件两端分别产成吸热与放热现象，因此可应用在需致冷或加热的技术领域；若使热电转换组件两端分别处于不同温度，则可令热电转换组件输出直流电，因此可应用在发电技术领域。

请参照图1，其绘示一种传统热电转换组件应用装置的侧视图。传统的热电转换装置一般由块状的P型热电材料101与N型热电材料102、导电金属层111a/111b、焊料及电绝缘的上下基板121a/121b所构成。其中热电材料101、102的特性主要决定了热电转换组件的性能。如图1所示，P型热电材料101与N型热电材料102通常为直立式，利用导电金属层111a/111b将P型、N型热电材料以串联方式连接，而电绝缘的上下基板121a/121b其材料例如是陶瓷基板。以热电致冷应用为例，输入的直流电在P型、N型热电材料101/102内的流动方向(上下流动)与转换组件热传送方向(上下传送)平行，热电致冷组件在上下方产生温差与吸放热。若以温差发电为例，热电转换组件温差与热流方向，同样与热电材料内产生的电流方向平行。然而，此种传统结构的热电转换组件，受限于块状热电材料热电优值(Figure of merit，ZT)特性瓶颈，其效率并不高，通常热电致冷最大致冷力(cooling capacity)大约只有3～5W/cm2，而热电组件发电效率在冷热端200℃温度差异下约为2～3％。欲提高热电转换组件效能，将高ZT值热电材料使用于热电变换组件中是最直接而有效的方法。

虽然过去20～30年间已有许多研究致力于提升热电材料的性质以及热电转换组件的效能，但成效并不明显，主要原因是热电材料的ZT值难以突破大约等于1的瓶颈，限制了热电转换组件性能。公元1993年时美国麻省理工学院教授Hicks与Dresselhaus等人提出将热电材料尺度减少至纳米尺度时，热电优值ZT可能大幅提升。接着于公元2001年，美国RTI研究所Venkatasubramanian等人发现P型Bi₂Te₃/Sb₂Te₃超晶格薄膜ZT值在室温附近可达到2.4左右，突破了ZT～1的瓶颈。公元2004年美国Hi-Z公司研究P型B₄C/B₉C与N型Si/SiGe量子层(quantum well)薄膜，并实验量测估算ZT值可能大于3。因此根据前述研究结果显示，薄膜型热电材料具有高ZT值的优势(从根本上提升热电转换组件的效率)，可望突破传统块状材料特性瓶颈。另外，薄膜型热电材料耗用材料少，易制作微小型热电转换组件，无论是在微电子组件冷却(microcooling)或高效率热电发电机(Thermoelectric generator)领域，其应用潜力将愈来愈高。

然而，如此具有潜力的薄膜型热电材料，直接应用在在传统构型的组件时，却难以有高性能的表现。请参照图2，其绘示一种传统具有薄膜型热电转换组件的装置的侧视图。如图2所示，在厚度相对较厚的上下基板221a/221b之间(材料)，设置有P型热电材料薄膜201和N型热电材料薄膜202，且热电材料薄膜201/202和上下基板221a/221b之间亦具有金属柱231和导电金属层211a/211b。而热电材料薄膜201/202是通过焊料层241与上基板221a黏合，金属柱231则通过焊料层242与下基板221b黏合。

如图2所示，若将薄膜型热电材料直接应用至传统构型的热电转换装置，虽然薄膜型热电材料已被初步证实具有提高ZT值的效果，但通过材料的电流与热流仍为垂直薄膜方向，由于薄膜材料厚度仅约数十纳米至数十微米之间，意即热电转换组件的冷热端仅有微米等级的间距，热端迅速散热要求极为严苛，热流易回传而减少温差与致冷效果。再者，由于薄膜材料厚度甚薄，热电材料与金属层接合界面电阻与热阻影响因素剧增，焦耳发热(Joule’s heating)也会减损热电转换组件效率。因此薄膜型热电材料直接导入传统热电转换构型的装置，实际上并不如预期般有高性能的表现。

发明内容