[发明专利]热电材料以及包括其的热电元件

说明书

本发明提供了一种包括金属氧化物粉末和热电粉末的热电材料，以及包括该热电材料的热电元件。因而，提高了内部填充率使得根据电导率和塞贝克系数的增加以及热导率的降低而能够使佩尔捷效应最大化，由此能够提高热电元件的优值系数(ZT)。

技术领域

本发明的实施方案涉及具有提高的热电效率的热电元件及其制造方法。

背景技术

热电效应是指在热与电之间产生的可逆的、直接的能量转换并且热电效应是通过在材料的内部进行电子与空穴传输而产生的。这样的热电效应被分成佩尔捷效应(Peltiereffect)和塞贝克效应(Seebeck effect)，佩尔捷效应利用通过从外部施加的电流而在两端处形成的温度差而应用于冷却领域，并且塞贝克效应利用由于在材料的两端处的温度差而产生的电动势而被应用于发电领域。

限制热电冷却和发电的应用的最大的因素是材料的低能量转换效率。热电材料的性能通常被称为无量纲优值系数(figure of merit)。使用通过下式定义的优值系数ZT的值。

[式1]

在此，ZT代表优值系数，S代表塞贝克系数、σ代表电导率、T代表绝对温度以及κ是热导率。

然而，电导率和塞贝克系数具有以下的相互关系：当其中之一的性能增加时另一个的性能降低。因此，如式1所示，为了增加热电材料的优值系数，已经进行了用于增加塞贝克系数和电导率并降低热导率的研究。

作为得自这些研究的技术的一个实例，常规冷却热电元件主要以块体型被制造。然而，由于块体型热电元件具有小的声子散射效果，所以其具有低的品质因素。因此，需要对块体型热电材料进行改进。

此外，如式1所示，与决定ZT值的主要变量对应的电导率和塞贝克系数具有如下相互关系：当其中的任何一个的性能增加时另一个的性能降低。因而，当塞贝克系数根据载流子浓度的降低而增加时即使热导率降低，也产生了显示出电导率特性降低的折衷特性。

因为常规块体型热电元件基于Bi-Te，所以常规块体型热电元件具有低竞争力的价格。因而，常规块体型热电元件仅用于有限的领域，如昂贵的设备或航空航天工业。此外，由于常规块体型热电元件不具有柔韧性，所以其不能在具有曲率的表面上使用。因而，难以以各种方式利用它。因此，具有竞争力的价格和柔性特性的热电元件的开发已经是必需的。

发明内容

考虑到上述问题而做出本发明，本发明的实施方案的一个方面提供了一种包含用于提高内部填充率的金属氧化物粉末和热电粉末的纳米晶体热电材料，使得根据电导率和塞贝克系数的增加以及热导率的降低而能够使佩尔捷效应最大化，由此能够提高热电元件的优值系数ZT。

此外，本发明的实施方案的另一方面提供了一种具有提高的热电效率的厚膜型热电元件以与块体型热电元件相比具有极有竞争力的价格和柔性。因而，有利地是厚膜型热电元件能够应用于各种装置并且可以通过数百微米的厚膜沉积能够实现最大功率密度，能够简单和快速地执行生产过程，并且能够降低生产成本，由此能够以低成本大量生产热电元件。特别地，因为厚膜沉积能够进行数百微米，所以能够实现最大功率密度，并且因为厚膜型热电元件包括柔性玻璃纤维，所以能够实现可容易弯曲特性。

根据本发明的实施方案的一个方面，热电材料可以包括：热电粉末，其包含选自Bi、Sb、Te和Se中的至少一种元素；金属氧化物粉末，其包含均具有具有宽度和厚度的截面并且均具有从所述截面延伸的长度的颗粒，使得可以提供一种能够提高热电元件的优值系数ZT的纳米晶体热电材料。