[发明专利]用于制备热电式发电机的结构、包含该结构的热电式发电机及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及用于制备热电式发电机的结构、包含该结构的热电式发电机以及制备该结构的方法。

背景技术

热电式发电机（TEG）是利用称为“塞贝克效应”（或“热电效应”）的现象将热（温差）直接转化为电能的设备。当具有不同塞贝克电势的两种不同金属（导体）或半导体以各自末端接触，如果所述末端处于不同的温度就会产生电压（即塞贝克效应）。相反，施加的电流由于珀耳帖效应能够在两个末端之间引起温差。因此，热电设备可以是通过电流转移热的冷却器或热泵。典型的热电式发电机包含p-和n-掺杂热电元件的两种半导体材料，所述p-和n-掺杂热电元件彼此连接并形成热电偶。然后将热电偶串联电连接并且并联热连接。热电式发电机能够包含一个至几百个热电偶。热电式发电机可以用于多种情况，这不仅提供了用于收获热的替代能源方案，而且提供了用于冷却目的的替代能源方案。

例如，TEG可以用于不可能使用热机（其为庞大的）的小尺寸应用。例如，为了增加现有电厂（这里仍然产生大量的“废”热而没有利用其中含有的能量）的能源效率，目前正在关注的其他应用领域是大规模利用“废”热/“废”温差（从任何给定来源）来产生电力。

但是，为了进一步扩展TEG用于发电的应用，必须发现简单可靠和可以放大的制造方法，因为当前的技术仍然受制于需要相当复杂和成本高昂的工艺（例如照相平版印刷法）的问题。此外，TEG应当尽可能稳定，它们应当能够在宽范围温度下工作并且它们应当不太容易被高温和/或大的温度变化破坏，例如用于产生电力的“废”热。

但是目前的技术仍然不能对上述目标提供满意的解决方案。

常规的热电式发电机通常如下制备：将热电材料锭切割成有利规定的大块热电元件，然后通过焊接或类似技术将它们接合到电极上。这种制备热电式发电机的技术通常是耗时且和昂贵的，要求将成百上千的n或p型材料的引脚彼此接近放置，然后将它们串联配对。这种制造方式要求改进热电设备构造技术。当热电元件的厚度小于1.5mm时，常规制备热电式发电机遇到的一个问题是热电元件显著较低的产量。这是由于难以切割热电材料锭。热电元件的小型化非常困难。结果，在热电模块中能够构造的热电对的数目有限。限制所述设备的效率的另一个问题是引脚和内部连线之间的接触电阻。因此，热电式发电机的整体效率相当低。总而言之，使用常规方法制备紧凑的高性能热电式发电机是非常困难的。

US5,959,341、US6,025,554、US6,127,619和US2009/0025772A1公开了热电模块，描述了制备所述模块的冗长方法，其特别耗时，仍然昂贵且难以放大规模。

例如，WO2009/148309描述了一种制备TEG的方法。所述方法目的是克服现有技术中使用照相平版印刷法相关的一些缺陷。但是，即使是在WO2009/148309中建议的方法也是相当复杂的多步骤方法。此外，WO2009/148309要求利用柔性，典型地为聚合物基底，这大大降低了热稳定性。

WO2009/045862描述了用于制备TEG的现有技术方法的另一实例。在该方法中，将p-型或n-型材料沉积在柔性基底上并分别卷成沉积p-型或n-型材料的圆筒，然后顺序连接以制备TEG。类似的工序还公开在WO2010/007110、US2008/0156364A和JP9107129A中。但是，所有这些方法和所制备的TEG都仍然具有各种缺陷，例如涉及制造和使用过程的温度限制，因为所述聚合物柔性基底在高温下不稳定。此外，难以设想使用这些现有技术的大批生产，特别是由于所述相当复杂的多步骤制造方法。

L.A.Salam等人的“Fabrication of iron disilicide thermoelectric generator by tape casting method”,Materials and Design20(1999)223-228，涉及一种热电式发电机的制造，所述热电式发电机由多层半导体和绝缘陶瓷材料层组成。

US6,872,879涉及一种热电式发电机，其包含多个交替设置的n型和p型半导体元件，并且所述n型和p型半导体元件在其末端连接以在所述发电机的两个相反面上形成多个热电偶。

EP-A-2128907涉及一种用于热电转换模块的基底，包含作为主要成分并具有柔韧性的陶瓷材料。

JP-A-09092891公开了一种热电元件，其为耦合叠加型热电元件，其中p型和n型半导体通过绝缘陶瓷层被堆叠和连接。