[发明专利]一种碲化铋热电器件及其制备方法

说明书

本公开揭示了一种碲化铋热电器件的制备方法，包括：选取适量的Ni粉原料和C粉原料混合后球磨，获得Ni‑C混合粉料；在磨具中填入适量碲化铋粉料并进行预压，形成碲化铋热电材料层；将Ni‑C混合粉料干燥后填入磨具中，并均匀堆积在碲化铋热电材料层上进行二次预压，形成Ni‑C阻挡层；对碲化铋热电材料层和Ni‑C阻挡层进行SPS烧结，冷却后获得碲化铋热电器件。本公开通过选用C原料部分代替Ni原料，能够在一定程度上减少Ni元素和Te元素在碲化铋热点材料层和阻挡层界面处的扩散和反应，在一定程度上能够抑制碲化铋热电材料层和Ni‑C阻挡层界面处的劣化。

技术领域

本公开属于能源转换技术领域，具体涉及一种碲化铋热电器件及其制备方法。

背景技术

热电材料是一种能实现热能和电能转换的功能材料。热电转换技术基于塞贝克效应，通过温差驱动载流子迁移形成温差电动势，可以实现热能和电能的相互转换。由热电材料制得的温差发电器件可利用工商业余废热、地热、人体体温等作为热源进行热电转换，且具有体积小，稳定性高，寿命长，绿色环保，免维护等优点。热电转换技术能够直接将电能转换成热能，有效实现对工业和生活中产生的余废热进行再利用，对提高能源利用率、改善能源结构和保护环境具有重要意义。热电转换技术的关键在于热电材料性能水平和发电器件技术水平。对于材料而言，目前应用于低温区的热电材料主要有Bi₂Te₃和Ag₂Se。Bi₂Te₃热电材料被研究的最早、应用也最为成熟，是目前室温范围内应用最多的热电材料，基于碲化铋材料制备的热电器件在室温范围内也有着广泛应用。对于热电器件而言，器件的拓扑结构(几何形状、尺寸、连接方式、电流与热流耦合匹配等)和异质界面(电极与热电材料、电极与绝缘基板等)结构的设计与实现，是器件集成技术的核心问题。在传统的热电器件中，电极直接与热电材料通过焊料进行连接，由于连接工艺和焊料的差异，电极与热电材料界面电阻可能会有数量级的差异。在服役过程中，焊料与热电材料之间会发生反应和扩散，导致界面的接触电阻和结合强度出现大幅劣化，最终导致热电器件的失效。因此，界面问题是热电器件失效最为关键的影响因素。

目前，一般采用在电极和热电材料之间添加阻挡层的方式来解决焊料与热电材料之间因界面问题引起的器件失效。对于P型碲化铋而言，Ni是一种应用于低温碲化铋器件的阻挡层材料，然而，Ni虽然能显著降低焊料与热电材料在界面处的接触电阻，但是Ni元素与Te元素会在界面处形成Ni_xTe_y化合物，使得界面接触电阻增加，从而降低热电器件的转换效率，这种劣化在温度高于200℃时尤其明显。对于N型碲化铋而言，Co-P层是一种较好的阻挡层材料，已有的研究表明，150℃空气气氛下老化15天，Co-P与N型碲化铋界面处的接触电阻会从60μΩ·cm²上升到80μΩ·cm²，其接触电阻有待进一步降低。因此，亟需选择更适合碲化铋热电器件的高性能阻挡层来保证器件的服役长期性和服役稳定性。

发明内容

针对现有技术中的不足，本公开的目的在于提供一种碲化铋热电器件及其制备方法，通过选用C原料部分代替Ni原料，能够在一定程度上减少Ni元素和Te元素在碲化铋热点材料层和阻挡层界面处反应层的扩散和反应。

为实现上述目的，本公开提供以下技术方案：

一种碲化铋热电器件的制备方法，包括如下步骤：

S100：选取适量的Ni粉原料和C粉原料混合后球磨，获得Ni-C混合粉料；

S200：在磨具中填入适量碲化铋粉料并进行预压，形成碲化铋热电材料层；

S300：将Ni-C混合粉料干燥后填入磨具中，并均匀堆积在碲化铋热电材料层上进行二次预压，形成Ni-C阻挡层；

S400：对碲化铋热电材料层和Ni-C阻挡层进行烧结，获得碲化铋热电器件。