[发明专利]一种环形构造热电器件的制备方法

说明书

技术领域

本发明属于热电转换技术领域，具体地，涉及一种环形构造热电器件的制备方法。

背景技术

热电转换技术作为一种新能源和再生清洁能源技术近几年在国际上受到了广泛的瞩目。热电转换技术是利用半导体材料的塞贝克效应，直接将热能与电能进行相互转换，具有寿命长、可靠性高、环境友好、使用温度范围广、能够有效地利用低密度能量等特点，在工业余废热和汽车尾气废热的回收利用、高精度温控器件以及军用电源等高新技术领域具有显著的优势。

在诸多热电材料之中，填充方钴矿作为一种新型的高性能中温（例如450～600℃）热电材料，因为其良好的应用前景而受到了研究人员的广泛关注。目前，对填充方钴矿的研究主要集中在两个方面，一方面是继续提高其材料自身的热电性能，另一方面是优化填充方钴矿基热电器件的结构以实现更高的热电器件转换效率。

一个热电器件往往由多个n型和p型半导体热电元件组成。由于每个热电元件的电压很低，为了获得较高的电压以便于实际使用，通常用金属电极将一个n型热电元件和一个p型热电元件连接成热电单偶，然后将多个热电单偶按导电串联、导热并联的结构连接起来构成热电器件。

目前主要的热电器件构造为如图1（a）中所示的π形构造。如图1（a）所示，n型和p型热电元件以电串联和热并联的形式集成于两个电绝缘而热传导良好的陶瓷平板之中，因此这种构造主要适用于平板状热源的环境下，即热流方向垂直于两个平行的陶瓷板。

但是，当热源为非平板状时，这种传统的π形热电器件构造就不再适用。例如汽车尾气排放管道，其可以被看做为直径小于1厘米的柱状热源，这就使得制造与其相匹配的π形热电发电模块的难度将大幅度增加。对于这种柱状热源，使用如图1（b）中所示的环形构造的热电器件就更为方便。

如图1（b）所示，在该环形构造的热电器件中，n型和p型环形中空热电元件沿柱状热源交替地同轴排列，彼此之间填充热和电均绝缘的材料。这种构造可以最大限度地利用柱状热源所传导的热量，故热量利用效率相对于π形构造的热电器件将大幅度提高。

由于目前很多热源，如汽车尾气排放管道和深海石油输送管道等都属于非平板状热源，因此，环形构造的热电器件在实际应用中具有很大的前景。

目前，制备π形构造填充方钴矿基热电器件的技术已经较为成熟。从现有技术来看，可用于制备π形构造填充方钴矿基热电器件的电极材料有Ti、Fe、Ag、Au、Cu、Mo、Ni、Cr、W、Ta、Nb等金属或其合金（参见专利文献US6005182、US6759586、US6563039、CN1585145），电极与填充方钴矿材料连接的手段有铜焊（参见专利文献US6005182，US2002/0024154）、银焊（参见专利文献US6759586、US2008/0023057）、烧结（参见专利文献US2006/0017170、US6563039、CN101447548、JP11195817）等。

但是，目前为止，世界上对具有环形构造的热电器件的研究还很少，仍处于起步阶段。迄今为止，只公开了Gao等人用Cu作为电极连接的Bi₂Te₃环形热电模块 （M.高和D.M.罗维，《环形结构的热电模块》(Ring-structured thermoelectric module)，Semicond. Sci. Technol. (2007) 22: 第880–883页），其制备工艺比较复杂。而对于填充方钴矿基环形构造热电器件的制备，目前则无任何相关报道。因此，现在迫切需要开发一种高效的环形构造热电器件的制备方法，以实现其大批量制备，从而促进环形构造热电器件的真正应用。

发明内容

鉴于以上所述，本发明所要解决的技术问题在于提供一种高效的环形构造热电器件的制备方法。

为了解决上述技术问题，本发明的一种环形构造热电器件的制备方法，包括：将第一金属连接层放置于在中空的模具的内壁上纵向设置的凹槽处；在所述模具中插入中心棒；在所述中心棒与所述模具的外壳之间的环形的中空部中依次铺设第一热电材料、隔离层材料和第二热电材料；对所述模具进行烧结；在烧结完成后移出所述中心棒并去除所述第一热电材料和第二热电材料之间的所述隔离层材料以得到环形热电单偶；以及多个所述环形热电单偶的内壁之间用第二金属连接层相连以得到环形构造热电器件。