[发明专利]化合物半导体热电材料及其制造方法

说明书

提供了化合物半导体热电材料，其制造方法以及使用其的热电模块、热电发电机或热电冷却装置，所述化合物半导体热电材料通过具有优异的功率因数和ZT值而具有优异的热电转换性能，并且特别地，在低温下具有优异的热电转换性能。根据本发明的化合物半导体热电材料包含：n型化合物半导体基体；和分散在基体中的n型颗粒，所述n型颗粒是与基体不同的化合物半导体并且平均颗粒尺寸为1μm至100μm。

技术领域

本公开内容涉及化合物半导体及其制造方法，并且更特别地，涉及具有优异的热电转换性能并且可以有效地应用于热电转换元件的化合物半导体热电材料及其制造方法。本申请要求于2015年7月21日在大韩民国提交的韩国专利申请第10-2015-0103215号的优先权，其公开内容通过引用并入本文。

背景技术

化合物半导体是由两种或更多种元素而不是一种元素(例如，硅或锗)构成的半导体。已经开发了多种类型的化合物半导体并且目前正用于多个工业领域。通常，化合物半导体可用于热电转换元件、发光器件(例如，发光二极管或激光二极管)、燃料电池等。

特别地，用于热电转换元件的化合物半导体可被称为热电材料，并且热电材料具有热电发电或热电冷却应用。通常，热电转换元件包含串联电连接和并联热连接的n型热电材料和p型热电材料。

热电冷却是使用珀尔帖效应(Peltier effect)将电能转换为热能的形式，珀尔帖效应是当直流电流流经热电模块的两端时在热电模块的两端发生吸热和热生成。热电发电是使用塞贝克效应(Seebeck effect)将热能转换为电能的形式，通过塞贝克效应，当在热电模块的两端形成温差时产生热电动势。

认为对于化合物半导体热电材料而言重要的特性因数是无量纲品质因素ZT，定义为在此，S表示塞贝克系数，σ表示电导率，T表示绝对温度，并且κ表示热导率。当应用具有更高ZT值的化合物半导体时，热电转换元件的效率得以进一步提高。

目前为止，已提出了多种类型的化合物半导体作为热电材料，但是对更高ZT值的需求不断增长。为了增加ZT值以获得良好的热电转换性能，高的塞贝克系数和电导率以及低的热导率是最有效的。已知造成热传导原因的声子散射是降低热导率的一种有效手段，并且已开发了其中分散有nm级细颗粒用于声子散射的热电材料。在化合物半导体中，声子的平均自由程(mean free path，MFP)的大小为约100nm，载流子的平均MFP的大小为数nm。理论上，已知如果几十纳米级的细颗粒均匀地分散在化合物半导体中，则可以选择性地仅使声子散射。

然而，在大多数情况下，虽然用于声子散射的nm级细颗粒的分散在降低晶格热导率方面是有效的，但是往往大大地降低了电导率。此外，该热电材料的制造需要使用用于制造和分散nm级细颗粒的高成本过程，这不适于大规模生产。

因此，需要通过降低热导率而同时不降低电导率的ZT值足够高的化合物半导体热电材料及其经济的制造方法。

发明内容

技术问题

因此，设计本公开内容以解决诸如以上那些的问题，并因此，本公开内容涉及提供具有良好的ZT值而不降低电导率并因此具有优异的热电转换性能的化合物半导体热电材料及其制造方法，以及使用其的热电模块或热电发电机和热电冷却装置。

技术方案

为了实现所述目的，根据本公开内容的化合物半导体热电材料包含：n型化合物半导体基体；和分散在基体中的n型颗粒，其中所述n型颗粒是与基体不同的化合物半导体并且平均颗粒尺寸为1μm至100μm。

在此，根据化合物半导体热电材料的总重量，n型颗粒可以以0.1重量％至1.0重量％的量存在。

此外，n型颗粒可设置在基体的晶界或晶粒中。

此外，n型颗粒的电导率可为10S/cm或更大。