[发明专利]一种碲化铋基热电发电器件及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种热电器件的制造方法，特别是一种密封式、碲化铋基低 温热电发电器件的制造方法，属热电转换技术领域。

背景技术

热电发电是一种利用半导体材料赛贝克效应实现热能和电能直接转换的 技术，在太阳能光电一热电复合发电及工业余废热热电发电等方面有着广阔 的应用前景和潜在的社会、经济效益。

热电发电器件是热电发电技术的关键，主要由P型、N型两种半导体材 料制成的热电元件组成，单个热电元件的电压很低，通常需将大量的P型、 N型热电元件按导电串联、导热并联方式连接构成热电器件，以获得较高的 电压，便于使用。

图1所示的是典型的碲化铋基低温热电器件，由P/N型元件、电极、陶 瓷基板组成。制造步骤为：1)切割设计尺寸的P/N型元件；2)将电极制备 在陶瓷基板上；3)将用焊锡P/N型元件按导电串联、导热并联焊接在电极 上。这种热电发电器件在实际应用时存在以下问题：1)在潮湿环境中，潮气 在器件内部的空隙中聚集，器件容易发生热短路，使输出功率大大降低；2) 在使用过程中，器件因高温下焊锡脱落而失效，器件的使用温度范围受焊锡 熔点的限制，不能充分发挥碲化铋基材料的潜力。

针对上述问题，美国专利(US5875098)提供了一种如图2所示的碲化 铋基热电发电器件，由P/N型元件、钼阻挡层、铝电极、高温有机材料多孔 栅格筐、电绝缘薄膜组成。美国专利(US5856210)公布了这种器件的制造 方法，其步骤为：1)制造高温有机材料多孔栅格筐；2)切割P/N型元件， 并装入栅格筐中；3)等离子喷涂金属钼作为阻挡层，喷涂金属铝作为电极； 4)研磨直到露出栅格；5)贴上电绝缘薄膜。栅格消除了元件之间的间隙， 铝的熔点远高于器件的使用温度，因而很好地克服器件受潮湿环境使用及焊 锡熔点的限制。然而，这种器件的制造成本很高，远高于锡焊器件的成本， 因为：1)金属钼阻挡层和铝电极采用等离子喷涂，喷涂的温度高，热量在栅 格筐上聚集，导致栅格筐温度升高而变形，增加了后道工序——磨平的工作 量，变形严重的会导致器件报废，降低器件成品率；2)等离子喷涂设备造价 昂贵，且运行费用高，喷涂一定厚度的电极往往需要喷涂几十遍，成本是相 当高的。

锡焊方法制备的碲化铋基发电器件使用温度受到限制，而等离子喷涂制 备的器件成品率低，成本很高，因而其大规模应用受到高成本的限制。因此， 迫切需要提出一种方法，既能提高碲化铋基发电器件的使用温度，又能降低 成本。

发明内容

针对以上问题，本发明提供了一种不同于现有结构的碲化铋基热电发电 器件及其制造方法，以克服锡焊器件受使用环境及温度的限制，而且其制造 的废品率及成本将远低于现有的等离子的喷涂器件。

本发明提供的碲化铋基热电发电器件是由多孔支撑架、P/N型碲化铋基 元件、阻挡层、焊锡层、低温端电极和陶瓷基板、密封胶及高温端喷涂电极 和陶瓷基板组成。其特点在于：(1)低温端电极烧结在陶瓷基板上，低温端 电极的图形与多孔支撑架的孔相配合，当多孔支撑架放在陶瓷基板上时，低 温端电极全部位于相配合的多孔支撑架的孔中；(2)多孔支撑架位于在陶瓷 基板上，低温端电极、P/N型元件位于支撑架的孔中；(3)在低温端电极与 P/N型元件之间依次有焊锡层、阻挡层，焊锡层将P/N型元件与低温端电极 结合在一起，阻挡层阻止焊锡原子向碲化铋基材料扩散，以免恶化碲化铋基 材料的性能；(4)密封胶位于多孔支撑架与陶瓷基板之间，将其缝隙密封； (5)在P/N型元件的另一端依次有阻挡层、高温端喷涂电极，及陶瓷基板。 这样构成了导电串联、导热并联的碲化铋基热电发电器件。

多孔支撑架消除了P/N型元件之间的间隙，克服了器件受使用环境的限 制，高温端电极克服了器件受使用温度的限制。阻挡层采用电镀或者火焰喷 涂的方法制备，高温端电极的制备采用火焰喷涂或者电弧喷涂，其成本大大 低于等离子喷涂，而且器件喷涂过程中受热变形远小于等离子喷涂，降低了 后续工序的工作量和废品率，也有利于成本的降低。

本发的碲化铋基热电发电器件制造方法包括：多孔支撑架制备、元件制 备、装入元件、冷端电极锡焊、热端电极喷涂及喷涂面研磨等六个步骤。

下面结合附图对制造方法进行详细说明：