[发明专利]热电器件的制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种热电器件的制作方法，特别是一种中温(450～600℃)填充方钴矿热电发电器件的制作方法，属于热电转换技术领域。

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，具有长寿命、高可靠及环境安全等特点，在太阳能光电-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。提高热电发电能量转换效率的关键是提高热电材料的性能优值，因此热电转换领域大部分研究工作集中在开发新型高性能热电材料方面，然而，另一方面，研制开发新型热电材料器件对于提高热电发电能量转换效率也具有同样重要的作用。

热电器件主要由p型、n型两种热电半导体元件组成，单个热电元件的电压很低，通常用电极将大量的p型、n型热电元件按导电串联、导热并联连接起来构成热电发电模块，以获得较高的电压，便于使用。电极材料的选择及其与热电元件的结合是热电器件制作的关键。目前，低温碲化铋基器件已经商业化，通常以铜作电极，采用传统的钎焊技术焊接。而对于中高温器件，电极材料的选择首先要求其热膨胀系数与热电材料匹配，以尽可能降器件在制作及使用过程中的热应力，避免因热应力过大导致电极焊接失败或者器件在使用过程中失效；其次要求电极材料具有良好的电导率和热导率，以降低电极所带来的电阻和热阻对器件能量转换效率等性能的不利影响。

填充方钴矿作为一种新型高性能中温热电材料具有良好的应用前景。填充方钴矿器件低温端电极焊接借用碲化铋器件焊接技术——选用铜作电极材料，采用锡焊技术焊接。对于填充方钴矿器件高温端电极的焊接，从现有报道的制作方法看，选择的电极材料有Cu、Mo、Ni-Cr、W、Ta、这些金属的合金、不锈钢(US6005182)及Ag、Ag-Au、Ag-Cu、Fe(US6759586)和Nb(US6563039)，采用的电极与方钴矿材料的结合方法有铜焊(US6005182、US2002/0024154、CN101114692等)、银焊(US6759586、US2008/0023057等)、烧结(US2006/0017170、US6563039、JP11195817等)等。

表1列举了填充方钴矿材料和一些金属材料的热膨胀系数、电导率和热导率。可以看到，除了Ti、Fe、Ni的热膨胀系数与填充方钴矿接近，其它单质金属的热膨胀系数与填充方钴矿相差较大，而Ti、Fe、Ni的电导率和热导率比Cu、Mo等小很多。不锈钢是一种主要由Fe、Cr、Ni等元素组成的合金，其热膨胀系数与填充方钴矿材料最接近。此外还可以观察到，Mo的热膨胀系数比填充方钴矿材料小，而Cu的热膨胀系数比填充方钴矿大，二者组成合金，可以通过调整相对比例，使其热膨胀系数与填充方钴矿材料很接近，同时又能保持Cu、Mo良好的电导率和热导率；W、Cu也是如此。

当前普遍采用的热电器件的制作方法(例如中国发明专利申请第200710044771.0号所记载的热电器件的制造方法)的主要特点是：首先在模具中制备(烧结)热电材料的块体，然后在该块体上进行高温端电极焊接，接着用焊料将低温端与陶瓷基板进行焊接，最后通过切割等步骤获得π型热电器件。但，目前的方法不仅步骤复杂，而且还不可避免地对热电材料(诸如填充方钴矿)再次加热、加压，恶化热电材料的性能。因此，迫切需要开发新的器件制作方法，以简化热电器件的制作步骤，消除对热电材料的不利影响。

表1材料的热膨胀系数、电导率及热导率