[发明专利]一种宽温域热电元件及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种宽温域热电元件，属于热电材料及器件领域，本发明同时还涉及本宽温域热电元件的制备方法。

背景技术

热电材料是一种直接将热能和电能相互转化的功能材料， 它利用本身的Seebeck效应将热能直接转化为电能，除应用在航天领域外，在废热余热发电，汽车尾气，地热等领域也具有很大的潜力，在能源日益紧张的现代社会中，热电器件的制备在发达国家和地区已经得到了足够的重视。热电器件的转换效率极大的依赖于材料的热电优值ZT，其中ZT=S²T/ρκ，S为赛贝克系数，ρ为电阻率，κ为热导率，T为绝对温度。

目前研究和应用的热电器件均为单一均质热电材料组成，由于单一均质的热电材料只在有限的最佳温度区间ZT值取得最大，当温度稍微偏离后，ZT值急剧下降，导致热电转换效率较低，极大的阻碍了热电材料的发展和应用。因此在大的温差下，只有沿温度梯度方向选用具有不同最佳工作温度的热电材料，使之连接成多段热电元件形成梯度结构才能有效的扩大工作温度区间；同时还可以使得每段材料工作在最佳温度范围内，获得最佳的热电优值，有效的提高热电效率。碲化铋基热电材料是低温区域ZT值较高的热电材料之一，目前的研究工作也证明CoSb₃基及Zn-Sb基化合物是最有希望的中高温热电发电材料，然而由于界面连接及存在的各种电热输运、扩散机制等难点问题，目前关于高温热电材料和低温热电材料的连接来构建宽温域多段热电元件，尤其涉及CoSb₃基及Zn-Sb基化合物作为高温段热电材料的研究报道非常少。美国喷气动力实验室(Jet Propulsion Laboratory)的T. Caillat等直接烧结制备了Bi₂Te₃/CoSb₃热电段（Energ Convers Manage, 44, 2003，1755-1772），这种直接连接方式由于界面无阻挡层，在器件运行时不可避免的在界面区域会存在原子扩散，影响了两种热电材料的掺杂浓度，降低了热电转换率，同时，直接连接由于Bi₂Te₃和CoSb₃热膨胀系数差异过大，界面区域潜在的存在着热应力过大从而造成开裂的问题。武汉理工大学的张清杰教授对Bi₂Te_2.7Se_0.3/Ba_0.4In_0.4Co₄Sb₁₂（简称BT/FS）进行了梯度连接（J Electro Mater, 41, 2012，1376-1382），高低温段热电材料的连接采用了不同比例混合的BT/FS复合材料，这种梯度连接造成界面连接区域过大，一定程度上降低了ZT值，对热电元件的设计不利。

为更好地解决高温段CoSb₃基或Zn-Sb基热电材料与低温段Bi₂Te₃基热电材料的连接问题，构建宽温域多段热电元件，本发明设计采用连接层对高温段和低温段热电材料进行连接，同时连接层兼具有扩散阻挡层作用，且连接层厚度小，结合强度高，热持久实验结果表明界面结合良好。

发明内容：

为了解决上述技术问题，本发明提供了宽温域热电元件，同时提供了其制备方法。本发明通过选择合适的连接层将高温段和低温段热电材料连接，结合强度高且能最大限度的减小对电热输运的影响。

本发明适用于CoSb₃基化合物或Zn-Sb基化合物热电材料作为高温段与低温段Bi₂Te₃基热电材料的连接，本发明设计的中间连接层的材料为Cu、Nb或Mo 层中的一种。

   所述的CoSb₃基化合物，以CoSb₃为基体，并在其中填充或掺杂Li、Ir、Pr、Sm、Er、Yb、Y或Pd中的一种或几种元素制备而成。

    所述的Zn-Sb基化合物是以Zn和Sb为主元素，并掺杂Yb、Ca、Cd、Mg、Ga、In或Eu中的一种或几种元素。

所述Bi-Te基化合物，是以Bi和Te作为主成分，掺杂TeI₄，SbI₃或SbBr₃中的一种或几种制备而成的。