[发明专利]一种分段热电器件连接用焊片及其制备方法

说明书

本发明涉及一种分段热电器件连接用焊片及其制备方法，所述焊片具有A/B/A三层结构，其中A为低熔点组元组成的金属层，B为低熔点组元和高熔点组元组成的混合层；所述低熔点组元选自铅及其合金、锡及其合金、铟及其合金、锌及其合金、铝及其合金中的至少一种，所述高熔点组元选自钛、铬、铁、钴、镍、铜、锗、锆、银、金、铂、碲、锑、铌、钴中的至少一种元素。本发明的A/B/A三层结构焊片是经过压力加工形成一个整体，可以自由裁剪，以及可以很方便地用于热电材料的连接和已成型的热电器件之间的连接。

技术领域

本发明涉及一种分段热电器件连接用焊片及其制备方法，属于热电发电技术领域。

背景技术

热电发电技术利用热电半导体材料的赛贝克效应直接将热能转换为电能，具有系统体积小、结构紧凑、无活动部件、免维护、无噪音、无排放、可靠性高及寿命长等特点，在深空探测电源及特种军用电源上获得了重要应用，在太阳能光电-热电复合发电、工业余废热——特别是汽车尾气废热回收热电发电方面具有广阔的应用前景和潜在的经济社会效益。

热电发电技术的关键部件——热电器件主要由p型n型热电材料、电极和电绝缘陶瓷基板组成。热电转换效率为：取决于热电材料高温端和低温端之间的温差(T_H-T_C)和热电材料的无量纲热电性能优值ZT。热电材料根据使用温度范围分为高温、中温和低温热电材料。通常采用热电材料的平均即ZT-T曲线的积分面积，计算热电转换效率；到目前单一材料热电转换效率低，鲜有超过10％的^[1]；如果进行宽温域分段热电材料设计，则可以显著提高从而提高热电器件的热电转换效率^[2]。

常见热电材料，如高温的锗硅、中温的碲化铅、低温的碲化铋等，其器件技术成熟，产品已经获得实际应用，但是高效宽温域分段热电器件技术正处于研发阶段，其关键是分段热电器件的连接技术，包括分段热电材料元件——高温/中温、中温/低温、高温/中温/低温热电材料元件之间的连接和高温热电材料元件与电极之间的连接。Sejin Yoon等^[3]报道了采用放电等离子烧结技术链接n型碲化铋/碲化铅两种热电材料，但是烧结法无法制备分段热电器件。专利^[4]公开了采用焊接方法制备三段热电器件，从高温端到低温端依次需要采用不同的焊料进行四次焊接，器件的材料和结构承受热循环，器件异质结构局部会产生应力集中，导致器件可靠性下降，甚至局部开裂而失效；焊接温度远高于热电材料的使用温度，这会导致温度敏感热电材料的性能受损，降低器件的热电转换效率；常用焊接方法为钎焊或扩散焊接，其焊接温度为固定值，若更换不同的热电材料需要更换不同的焊接材料，工艺上复杂且成本较高；并且对热电材料原件的高度一致要求严格，如果热电元件存在高度偏差就会导致局部虚焊，这种方法工艺复杂，难以规模化制备多段热电器件。专利^[5,6]公开了压接方法制备分段热电器件，该方法属于机械接触，器件界面接触电阻和接触热阻热较高，器件的热电转换效率大幅度降低。综上所述，现有的烧结、焊接和压接方法难以解决分段热电器件的链接而又不降低性能等问题。

专利文献：

[1]Zhang Q.H.,Huang X.Y.,Bai,S.Q.,Shi X.,Uher C.,Chen L.D.,Thermoelectric Devices for Power Generation:Recent Progress and FutureChallenges,Advanced Engineering Materials 2016,18:194-213.

[2]Ou Yang.,Li.D.,Modelling of segmented high-performancethermoelectric generators with effects of thermal radiation,electrical andthermal contact resistances,Scientific Reports 2016,6:1-12.