[发明专利]热电元件以及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种具有第一热电层和第二热电层的热电薄层元件，其中，在构造出pn结的情况下构造出这些层。此外，本发明还涉及一种用于制造这种热电元件的方法以及热电发电机。

背景技术

这种热电元件由EP 1 287 566 B1公知。在该热电元件中，相对于传统热电元件实现了更高的效率，在传统热电元件中，pn结基本上在n层和p层的整个延伸部上构造，其中，沿pn结边界面施加温度梯度。由此，在pn层组的两个端部之间形成了沿该长形构造的pn结的温度差异，其导致热电元件的效率明显高于在传统热电元件情况下的效率。这种热电元件有选择地与n层和p层接触。这可以通过将接触部和与之连接的pn结制成合金来实现，或者可以通过直接接触n层和p层来实现。为了将许多这种热电元件装配成模块，这些热电元件通过十字引导的线路串联。模块的各个热电元件热并联。

发明内容

从现有技术出发，本发明的任务是，提供一种热电元件，其在无需布线的情况下适用于热电发电机中的串联。此外，还说明了一种用于制造这种热电元件的方法。

该任务的解决方案基于如下思想，即，热电薄层元件在冷侧上与两个接触面连接，而在热侧上与一个接触面连接。此外，本发明基于如下思想，即，提供一种用于制造所述三个接触面的廉价的方法。

具体而言，在开头提到类型的热电元件中，该任务以如下方式来解决，即，基底在基底的冷侧上具有第一接触面和第二接触面，而在基底的热侧上具有第三接触面，在冷侧上的接触面与热侧上的接触面之间可以施加温度梯度，热电元件的第一热电层布置在基底上并且将第二接触面与第三接触面连接，并且在构造出pn结的情况下，热电元件的第二热电层布置在第一热电层上并且与第一接触面连接。

由p层和n层构成的层组通过冷侧上的第一接触面和第二接触面有选择地进行接触，其方式是，第一热电层以接触区段布置在基底的第二接触面上。借助第二热电层的布置在基底的第一接触面上的接触区段实现第二热电层的有选择的接触。第二热电层的接触区段凸出超过第一热电层与第二热电层之间的pn结。

为了使温度梯度沿n层与p层之间的边界层的方向起作用，可以在冷侧上的接触面与热侧上的接触面之间施加温度梯度。为此必需的是，第一和第二热电层的接触区段与相应的接触面仅在部分区域中重叠。经由接触面的保留区域确保了与热源或热沉的良好的热连接。同时，经由冷侧上的第一接触面和第二接触面实现了热电层的有选择的电接触。

当第一热电层由n型的热电半导体材料构成时，第二热电层由p型的热电材料构成。当第一热电层由p型的热电材料构成时，第二热电层由n型的热电材料构成。pn结优选沿n层和p层的整体的优选最长的延伸部构造，并且因此基本上沿其整个边界层构造。

尤其考虑半导体材料，例如Bi₂Te₃、PbTe、SiGe、BiSb或者FeSi₂作为热电材料。

基底由电绝缘的相对于接触面具有明显更小的热导率的材料构成。基底材料可以是刚性的或柔性的。例如考虑Kapton(聚酰亚胺薄膜)、Kevlar(凯芙拉)以及电路板材料，例如EP2、85N、35N或复合材料作为基底材料。

接触面必须具有高电导率和高热导率，以便借助夹紧、粘贴或其他形式或材料锁合(stoffschlüssig)的连接方法实现与热源和热沉的良好的热连接。一方面为了层材料的有选择的接触而需要高电导率，另一方面为了截取由热电元件或热电发电机产生的电压而需要高电导率。考虑具有高热导率和高电导率的金属，尤其是铜或铜合金作为接触面材料。接触区域可以附加地用镍进行覆层作为扩散势垒。

为了着眼于高效率而使第一层和第二层的从pn结延伸出的接触区段保持尽可能短，第三接触面优选与第一接触面和第二接触面错开地布置。该错开优选以如下方式来选择，即，使第一接触面与第二接触面之间的间隙的延长部与第三接触面相交。