[发明专利]热电模块及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种热电模块及其制造方法，特别是涉及一种具有分段热电元件的热电模块及其制造方法。

背景技术

当热电模块的一端面紧邻热源，该热电模块内排列成一平面阵列的热电元件的两端面温度分别为热端温度(T_h)和冷端温度(T_c)，并形成一温度差ΔT时，热电元件可转换通过的部分热能为输出电能。因此热电模块可用以用于回收废热。热电模块的发电转换效率η，依据热电元件在不同温度T下的热电优值z和与温度T的乘积zT，以及热端与冷端的温度差ΔT此两者所决定，而后者温度差ΔT决定卡诺循环效率的上限值，η_carnot＝ΔT/T_h。当热电元件的zT越趋近无限大，则热电发电模块的转换效率η越趋近卡诺循环效率的上限值η_carnot。应用于热电元件的低温、中温和高温等不同热电材料的热电优值z均随温度变化而改变，并在一特定温度具有最大热电优值z。

在目前低温、中温和高温等各种p型和n型均质(homogeneous)热电材料的热电优值z与温度的乘积最大值zT_max.普遍低于2的技术现况，以及上述各种热电材料的zT_max.分别出现在低温、中温和高温等不同区间，和zT随温度高、低而改变的特性下，任何由一种均质的p型和n型热电元件所组装的热电模块很难有8％以上高转换效率，即使在大温差ΔT，例如冷端60℃至热端600℃的运作条件下。

为提高热电模块的转换效率，业界提出分段热电元件(segmented thermoelectric elements)相关研究，例如接合分别在低温、中温和高温具有最大zT的热电效率的材料，得到具有分段热电元件的热电模块(segmented thermoelectric module)。美国专利第6673996号教示依序填入一高温Skudderudite系列热电材料粉末、一抗扩散功用的金属粉和一较低温β-Zn₄Sb₃系列和一低温Bi₂Te₃系列热电材料粉末于石墨模具内，并在还原气氛、温度500℃～550℃和高压力的条件下持压约1小时，以同时烧结、接合的方式分别获致一高致密性p型和n型分段热电元件。然而实务上，为获致最佳的热电优值z性能，低温、中温和高温等不同组成的p型和n型均质热电材料的最适当粉末烧结温度和烧结时间存在显着落差，主要是低温p型和n型Bi₂Te₃系列热电材料和p型β-Zn4Sb3系列热电材料的粉末热压烧结温度宜低于400℃，以分别避免高蒸气压的碲(Te)元素挥发，和避免β-Zn₄Sb₃在400℃以上温度常发生的锌熔解引发的相分离(phase separation)或β相的相变态(phase transformation)。但是400℃以下热压烧结温度，不容易获致高致密性Bi₂Te₃系列热电材料和p型β-Zn₄Sb₃系列热电材料，造成此热电材料的导电性低落，并导致低热电优值z。此外，美国专利6673996利用同时烧结、接合的制作工艺以成形分段热电元件，因为需克服高比表面积粉末的氧化问题，以及放大分段接合热电材料尺寸时，低温、中温和高温热电材料的较佳烧结温度与烧结时间的矛盾，造成其不易经济规模生产。

相对于美国专利6673996号的同时烧结接合粉末制作工艺，以成形包含低温、中温甚至高温热电特性的分段接合热电材料。使用一改良的复合制作工艺，结合高压粉末烧结接合一中温和一高温热电材料，然后再将其与一低温热电材料由低温熔解接合的复合工法；或者低温熔接一高温、一中温和一低温热电材料的制作工艺，更容易获致高转换效率的分段热电元件，且更适于不同低温、中温和高温热电材料的各自经济规模生产方式，例如Bi₂Te₃系列热电材料现有的区域重熔和粉末挤型等制作工艺，相对能量产高热电优值z材料。上述低温熔接制作工艺仍存在必须解决的技术问题：

首先，分段热电元件(segmented thermoelectric elements)的熔解接合界面必须具有低电阻的特性，使减低焦耳热效应，以避免抵销转换效率。这表示熔解接合界面的接触电阻必须低且稳定。