[发明专利]碲化铋基薄膜热电模块制造方法、热电模块及热电发电机

说明书

本发明公开了一种碲化铋基薄膜热电模块制造方法、热电模块及热电发电机，制造方法包括以下步骤：在热沉基板上沉积二氧化硅膜层；在二氧化硅膜层上制备多条间隔排列的金属带；在不同的金属带之间的所述二氧化硅膜层的上表面交替沉积P型和N型碲化铋基薄膜，得到第一半成品；在第一半成品上表面涂覆光刻胶，并移除部分的金属带上的光刻胶，使移除光刻胶的金属带与未移除光刻胶的金属带交替设置；在移除光刻胶的金属带上沉积一层金属层，得到第二半成品；在第二半成品上表面涂覆光刻胶，并移除金属层上的光刻胶；在移除光刻胶的金属层上沉积导热绝缘层。本发明利用MEMS微加工技术和薄膜沉积技术实现了平面碲化铋基薄膜热电发电机的可扩展性。

技术领域

本发明涉及热电材料发电领域，特别涉及一种平面碲化铋基薄膜热电模块制造方法、热电模块及热电发电机。

背景技术

环境能量收集技术有望实现便携式、可穿戴和分布式传感器网络系统在物联网社会中的应用。可获取的能源包括阳光、室内照明、无线电波、机械振动和热量。热能的有效利用一直是人们期待已久的问题，而利用Seebeck效应将温差转化为电能的热电(TE)发电机也受到了广泛的关注。TE产生的能量转换效率主要取决于TE材料的优点，ZT＝S²σT k^-1，其中S表示Seebeck系数，σ和k分别表示电导率和热导率，T表示冷热源的平均温度。增加ZT可以提高转化效率，但S、σ和k之间的相关性阻止了这一点。只有少数材料，如铋-碲、铅-碲，已知能达到高转换效率。

在过去的二十年里，人们对电和热传输的基本理解有所提高。在微纳米技术的帮助下，这种理解导致了TE材料的性能实质性增强。碲化铋基低维材料由于保持了低热导和高电导的特性，已成为有前途的TE候选者。与MEMS工艺高度兼容、低污染(与Pb不同)的碲化铋基TE发生器也越来越多地被制造和报道。

温差电(TE)现象也称热电现象。1822年，Thomas Seebeck发现温差电动势效应(TE材料发电原理)；1834年，Jean Peltier发现电流回路中两不同材料导体结界面处的降温效应(TE材料制冷原理)。20世纪50年代发现一些良好的半导体TE材料。通常把ZT≥0.5的材料称为TE材料。ZT越大，TE器件效率越高。为克服高ZT值TE材料种类缺乏的障碍，人们转向天然TE材料的结构设计以及人工合成TE材料的研制——低维温差电材料。介观物理理论研究表明，在相同的工作条件下，低维薄膜结构TE材料比其他体材料具有更高的ZT值。

至今为止，有三类典型的低维薄膜结构的TE材料：(1)量子点结构(quantum-dotstructures)，借助于量子限制效应(quantum-confinement effects)提高近费米能级的态密度，从而提高材料的电导率；(2)声子低通/电子高通超晶格(phonon-blocking/electron-transmitting superlattices)，这类结构通过在超晶格组份之间引入所谓的“声(子)失配”(acoustic-mismatch)而降低材料的晶格热导率(kL)，不同于常规的TE合金材料的是，通常这类结构的材料具有显著降低的载流子散射率，即获得高导电率；(3)利用半导体异质结的电子热效应(thermionic effects in heterostructures)来提高材料的ZT值的薄膜结构材料。Hicks和Dresslhaus提出，量子阱超晶格能够大幅度提高材料的ZT值，而量子线超晶格甚至能带来更大幅度的提高。