[发明专利]一种图形化N、P型热电薄膜及制备方法和柔性薄膜热电器件

说明书

本发明公开了一种图形化N、P型热电薄膜及制备方法和柔性薄膜热电器件，所选用的热电材料为无机粉末Bi₂Se_xTe_3‑x（x=0.1~1）和Bi_xSb_2‑xTe₃（x=0.1~0.8），粉末平均粒径小于10μm。制备方法为通过柔性掩膜进行真空辅助抽滤。相对于磁控溅射、煅烧等制备工艺，该制备方法使衬底沉积的热电材料形状可控、工艺简单、成本低廉，并且所得薄膜具有良好的柔性。同时，本发明提供了一种新型柔性热电器件的组装方式，可以适应弯曲界面的温差供电，为将来智能可穿戴设备提供了可能。

技术领域

本发明涉及低成本柔性热电薄膜及器件制备技术领域，尤其是一种一种图形化N、P型热电薄膜及制备方法和柔性薄膜热电器件。

背景技术

随着现代社会智能化、信息化的发展，可穿戴性电子设备逐渐走入人们的生活，成为智能社会不可缺失的一部分。然而，目前大部分的可穿戴性产品需要借助电池等外部电源进行供电，一方面由于电池的回收问题给环境带来了压力，另一方面这对能源造成了浪费。一个颇具前景的解决方案就是利用热电材料制备热电器件来实现电子设备的自供电。热电材料又称作温差电材料，可以将热能直接转化为电能。而现实生活中热能无处不在，比如可以利用皮肤与外界的温差对可穿戴设备供电。热电材料有N型和P型之分，两者的不同之处在于施加相同方向的温度差时，产生电势差的方向相反。在实际应用中，通常以N型热电材料与P型热电材料串联得到热电器件。

温差发电是一种新型、环保的供电方式。目前实际应用中热电性能最好的材料为碲化铋合金及其掺杂物，对碲化铋分别掺锡（Sn）和掺锑（Sb）可相应得到N型热电材料和P型热电材料。碲化物已实现商用，以解决生活中小范围温差发电或热电制冷。该类热电器件的一般做法是以π状结构将N-P型热电材料交替相连，并通过固定封装以实现应用。目前尚存在两大问题：一是成本高昂，而且热电转换率低，从而无法实现大规模应用；二是该类热电器件为非柔性器件，无法弯曲，因而无法满足不同场景的应用。当前，已经问世的柔性热电器件，大多数是基于有机热电材料制备的。而有机热电材料的热电转换效率较低，性能不及以碲化物等为代表的无机热电材料。有鉴于此，无机热电材料以其较高的热电转换效率而有望实现热电器件的大规模应用。但无机热电材料一般具有脆性，需要借助柔性衬底制备成柔性器件以满足不同场景的应用。然而，目前热电材料与衬底的结合力非常弱，涉及到的设备一般较为昂贵，制备工艺又较为复杂，并且很难将N型和P型的热电材料集成在同一衬底上。所以寻找一种低成本、简单快捷的方法制备无机柔性热电器件，是目前研究的一大主流。

发明内容

本发明的目的是为了实现制备低成本柔性热电器件而提供的一种真空辅助抽滤的方式图形化制备N、P型柔性热电薄膜及制备方法，该方法通过真空抽滤的方式，利用图形化的微孔滤纸作为掩膜，分步将N、P型热电粉末材料沉积在同一微孔滤纸中，通过导电粘结剂直接粘结的方式将其组装成柔性薄膜热电器件。该方法步骤简单、成本低廉，不需要借助大型设备，并且制备的热电薄膜可靠性高、柔性好，可实现大规模生产。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种图形化N、P型热电薄膜的制备方法，该方法包括以下具体步骤：

步骤1：将Bi₂Se_xTe_3-x(x = 0.1 ~ 1) 粉末分散于去离子水中，并加入粘结剂，得到N型热电材料分散液；Bi_xSb_2-xTe₃(x = 0.1 ~ 0.8) 粉末分散于去离子水中，加入粘结剂，得到P型热电材料分散液；其中，Bi₂Se_xTe_3-x (x = 0.1 ~ 1) 与Bi_xSb_2-xTe₃ (x = 0.1 ~ 0.8)的浓度范围为5 ~ 10 mg/mL，粘结剂的浓度范围为0.2 ~ 1.0 mg/mL；