[发明专利]柔性热电发电器及其制造方法

说明书

本公开提供了一种热电发电器及其制造方法。热电发电器的半导体分支和电极嵌入一个或多个柔性聚合物基体中，从而为半导体分支和电极提供保护，以在弯曲过程中保持它们之间的良好电接触。因此，即使在大量的弯曲循环之后，也可以基本保持热电发电器的输出功率。

技术领域

本公开总体上涉及一种热电发电器及其制造方法。

背景技术

近来，在各种应用中，尤其是当电子设备的电源不能容易地更换或充电时，使用热电发电器进行能量收集以向电子设备提供电力变得越来越普及。热电发电器的输出功率一直是工业上的主要问题，但是在某些应用中，例如可穿戴电子设备中，热电发电器的柔性也变得越来越重要。

常规的热电发电器被刚性、笨重且沉重的陶瓷板覆盖。热电发电器难以同时获得高输出功率、长工作时间和良好的柔韧性。通常，当在发电器中使用更多的热电元件时，发电器的柔性和可靠性降低。在基于常规设计的这些方面之间需要权衡。

US6,410,971B1公开了一种柔性热电模块，其具有一对柔性基板、导电触点和热电元件。电触头和热电元件介于一对柔性基板之间。然而，在几次弯曲循环之后，在这种结构下，电触头和热电元件之间的连接很容易断开，从而导致输出功率下降，甚至导致模块故障。

因此，需要消除或至少减少上述缺点和问题的热电发电器。

发明内容

本文提供了一种热电发电器，其包括：热电转换层，所述热电转换层具有第一表面和第二表面并且包括多个p型半导体分支、多个n型半导体分支和具有第一热导率的第一柔性聚合物基体，其中第一表面与第二表面相对，多个p型半导体分支和多个n型半导体分支定义了多个热电偶，并以这样的方式嵌入到第一柔性聚合物基体中：每个p型半导体分支的两端分别暴露于第一表面和第二表面，每个n型半导体分支的两端分别暴露于第一表面和第二表面，并且多个p型半导体分支和多个n型半导体分支被第一柔性聚合物基体隔开；多个第一电极，其位于所述第一表面上并与所述多个热电偶耦合；第一柔性层，其包括具有第二热导率并覆盖多个第一电极和第一表面的暴露区域的第二柔性聚合物基体，第一表面的暴露区域是未被多个第一电极覆盖的区域，使第一表面被多个第一电极和第二柔性聚合物基体覆盖；多个第二电极，其位于所述第二表面上并与所述多个热电偶耦合；以及第二柔性层，其包括具有第三热导率并覆盖多个第二电极和第二表面的暴露区域的第三柔性聚合物基体，第二表面的暴露区域是未被多个第二电极覆盖的区域，使得第二表面被多个第二电极和第三柔性聚合物基体覆盖。

在某些实施例中，第二热导率和第三热导率均高于第一热导率。

在某些实施例中，第一热导率在0.1W/mK与0.5W/mK之间，第二热导率在0.5W/mK与3W/mK之间，第三热导率在0.5W/mK与3W/mK之间。

在某些实施方案中，第一柔性聚合物基体具有包含第一聚合物的组合物，并且第二柔性聚合物基体和第三柔性聚合物基体两者均具有包含第二聚合物和一种或多种填充剂的组合物。

在某些实施方案中，第一聚合物是聚二甲基硅氧烷(PDMS)、热塑性聚氨酯(TPU)或乙烯-乙酸乙烯酯共聚物(EVA)，第二聚合物是PDMS、TPU、EVA或聚酰亚胺(PI)。

在某些实施例中，一种或多种填充剂是碳化硅(SiC)、氮化硼(BN)、氧化铝(Al₂O₃)、氮化铝(AlN)、石墨、碳纳米管(CNT)或它们的组合。

在某些实施方案中，第一聚合物是PDMS，第二聚合物是PDMS，一种或多种填充剂具有两种填充剂，包括BN和AIN的组合，BN和SiC的组合，或AlN+Al₂O₃的组合。

在某些实施例中，热电发电器的厚度在4.0mm至4.5mm之间，第一柔性层的厚度在1.5mm至1.0mm之间，第二柔性层的厚度在1.5mm至1.0mm之间。