[发明专利]薄膜式热电转换组件及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种热电转换组件，特别是涉及一种薄膜式热电转换组件。

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电，使组件两端分别产成吸热与放热现象，则可应用在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，则能令热电转换组件输出直流电，因此可应用于发电技术领域。

请参照图1，其示出了一种传统热电转换组件的剖面图。传统的热电转换组件一般由块状的P型热电材料108、N型热电材料106、下导电金属层112、上导电金属层110、及电绝缘的上基板104和下基板102所构成。如图1所示，传统热电转换组件的P型热电材料108与N型热电材料106通常为直立式，利用下导电金属层112和上导电金属层110将P型热电材料108和N型热电材料106连接。以热电致冷应用为例，输入的直流电在P型热电材料108和N型热电材料106内的流动方向与转换组件热传送方向平行，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。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。

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小于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。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，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，此具有潜力的薄膜型热电材料，直接应用在传统组件时，却难以有高性能的表现。请参照图2，其示出了一种传统具有薄膜型热电转换组件的装置的剖面图。如图2所示，在上基板204和下基板202的间设置有P型热电材料薄膜216和N型热电材料薄膜210，其中P型热电材料薄膜216和N型热电材料薄膜210设置在金属柱206和下导电金属层212上，上导电金属层208下。P型热电材料薄膜216和N型热电材料薄膜210是通过上焊料层214与上基板204粘合，金属柱206则通过下焊料层218与下基板202粘合。

如图2所示，若将热电薄膜材料216、210直接应用至传统热电转换装置，虽然薄膜型热电材料216、210已被初步证实具有提高ZT值的效果，但由于热电薄膜材料216、210厚度仅约数十纳米至数十微米的间，意即热电转换组件的冷热端的间距相当近，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，由于热电薄膜材料216、210厚度甚薄，热电薄膜材料216、210与金属层208、212接合界面电阻与热阻影响因素剧增，焦耳发热(joule′sheating)也会减损热电转换组件效率。因此热电薄膜材料直接导入传统热电转换装置，实际上并不如预期般有高性能的表现。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提出一种薄膜式热电转换组件及其制作方法，以克服传统热电转换装置热电转换效率低的问题。