[发明专利]一种碲化铋制冷材料的制备方法及其在水离子发生器的应用

说明书

本发明属于热电材料领域，具体提供一种碲化铋制冷材料的制备方法及其在水离子发生器的应用，所述碲化铋制冷材料包括N型碲化铋半导体和P型碲化铋半导体，所述N型碲化铋半导体材料的化学组成为为Bi₂Te_2.7AsSe_0.3Sb_x，其中x＝0.01‑0.1；所述P型碲化铋半导体的化学组成为BiSb_3‑yCu_yTe₃，其中y＝0.06～0.10。所述碲化铋制冷材料利用帕尔贴效应，将所述N型碲化铋半导体材料和P型碲化铋半导体材料应用到水离子发生器中，提高水离子发生器的制冷性能，扩大应用范围。

技术领域

本发明属于半导体热电制冷材料领域，具体涉及一种碲化铋制冷材料的制备方法及其在水离子发生器的应用。

背景技术

随着全球工业化的发展，人类对能源的需求不断增长，在近百年中，工业消耗主要以化石类能源为主。化石能源是不可再生资源，地球中的存量越来越少，并且化石原料使用时会排出大量CO2、SO2、NO、NO2等有害物质，严重污染了大气环境，导致温室效应和酸雨，影响人类的身体健康和生活；因此开发新的可再生绿色能源材料代替化石材料，减少碳排放，保护生态资源越来越被重视。

热电材料能实现热能和电能的相互转换，有替代化石原料的潜能。热电材料是通过半导体材料的赛贝可效应和帕尔贴效应实现热能与电能直接耦合、相互转化的一类功能材料，该热电材料具有绿色无污染、无噪音、微型化、寿命长、可精确控制等优点，目前已应用到航空航天、太空飞船、精密仪器等领域。

碲化铋是热电材料中较为常见的一种，碲化铋的晶体结构属三方晶系，由于其各相异性，通常采用晶体生长的方法，但相邻的Te原子层间以较弱的范德华力结合而易发生解离，导致其机械强度低，加工性能差，良品率低，从而严重影响材料的利用率和元器件的可靠性。碲化铋利用赛贝可效应实现热电转化的研究较多，塞贝克效应(Seebeck effect)指由于两种不同电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间的电压差的热电现象，在两种金属A和B组成的回路中，如果使两个接触点的温度不同，则在回路中将出现电流，称为热电流。相应的电动势称为热电势，其方向取决于温度梯度的方向；但利用帕尔贴效应制冷的研究较少，珀耳帖效应指当有电流通过不同的导体组成的回路时，除产生不可逆的焦耳热外，在不同导体的接头处随着电流方向的不同会分别出现吸热、放热现象。

碲化铋制冷器件是N型和P型半导体通过导流片形成P-N热电结，根据帕尔贴效应，当回路中通电流时，在器件的一端吸收热量制冷，其N型半导体的材料通常为Bi-Te-Se，P型半导体的材料为Bi-Sb-Te，主要应用在高端行业，在人们生活中的应用较少。

发明内容

为解决碲化铋材料利用帕尔贴效应研究少，制冷性能差，在日常生活中的应用少等问题，本发明通过在N型半导体材料Bi-Te-Se中加入Sb元素，P型半导体材料中加入Cu元素，提高碲化铋的机械加工性能和热电性能，降低解离，并将其应用于水离子发生器的制冷系统。

为达到上述技术目的，本发明提供一种碲化铋制冷材料的制备工艺及其在水离子发生器的应用，具体技术方案如下：

一种碲化铋制冷材料的制备工艺，其特征在于，所述碲化铋制冷材料包括N型碲化铋半导体和P型碲化铋半导体，所述N型碲化铋半导体材料的化学组成为为Bi₂Te_2.7AsSe_0.3Sb_x，其中x＝0.01-0.1；所述P型碲化铋半导体的化学组成为BiSb_3-yCu_yTe₃，其中y＝0.06～0.10。

进一步的，所述碲化铋制冷材料的制备采用悬浮区熔法。

进一步的，所述N型碲化铋半导体材料的制备方法包括：