專利名稱：一種碲化鉍基熱電發(fā)電器件的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種熱電器件，特別是涉及一種密封式、碲化鉍基低溫 熱電發(fā)電器件，屬熱電轉換技術領域。
技術背景熱電發(fā)電是一種利用半導體材料賽貝克效應實現(xiàn)熱能和電能直接轉換的 技術，在太陽能光電 一 熱電復合發(fā)電及工業(yè)余廢熱熱電發(fā)電等方面有著廣闊 的應用前景和潛在的社會、經濟效益。熱電發(fā)電器件是熱電發(fā)電技術的關鍵，主要由P型、N型兩種半導體材 料制成的熱電元件組成，單個熱電元件的電壓很低，通常需將大量的P型、N型熱電元件按導電串聯(lián)、導熱并聯(lián)方式連接構成熱電器件，以獲得較高的 電壓，便于使用。圖l所示的是典型的碲化鉍基低溫熱電器件，由P/N型元件、電極、陶瓷基板組成。制造步驟為1)切割設計尺寸的P/N型元件；2)將電極制備在陶瓷基板上；3)將用焊錫P/N型元件按導電串聯(lián)、導熱并聯(lián)焊接在電極上。這種熱電發(fā)電器件在實際應用時存在以下問題l)在潮濕環(huán)境中，潮氣在器件內部的空隙中聚集，器件容易發(fā)生熱短路，使輸出功率大大降低；2) 在使用過程中，器件因高溫下焊錫脫落而失效，器件的使用溫度范圍受焊錫 熔點的限制，不能充分發(fā)揮碲化鉍基材料的潛力。針對上述問題，美國專利(US5875098)提供了一種如圖2所示的碲化 鉍基熱電發(fā)電器件，由P/N型元件、鉬阻擋層、鋁電極、高溫有機材料多孔 柵格筐、電絕緣薄膜組成。美國專利(US5856210)公布了這種器件的制造 方法，其步驟為1)制造高溫有機材料多孔柵格筐；2)切割P/N型元件， 并裝入柵格筐中；3)等離 子噴涂金屬鉬作為阻擋層，噴涂金屬鋁作為電極； 4)研磨直到露出柵格；5)貼上電絕緣薄膜。柵格消除了元件之間的間隙， 鋁的熔點遠高于器件的使用溫度，因而很好地克服器件受潮濕環(huán)境使用及焊 錫熔點的限制。然而，這種器件的制造成本很高，遠高于錫焊器件的成本， 因為1)金屬鉬阻擋層和鋁電極采用等離子噴涂，噴涂的溫度高，熱量在柵格筐上聚集，導致柵格筐溫度升高而變形，增加了后道工序——磨平的工作 量，變形嚴重的會導致器件報廢，降低器件成品率；2)等離子噴涂設備造價昂貴，且運行費用高，噴涂一定厚度的電極往往需要噴涂幾十遍，成本是相 當高的。錫焊方法制備的碲化鉍基發(fā)電器件使用溫度受到限制，而等離子噴涂制 備的器件成品率低，成本很高，因而其大規(guī)模應用受到高成本的限制。因此， 迫切需要提出一種方法，既能提高碲化鉍基發(fā)電器件的使用溫度，又能降低成本。發(fā)明內容針對以上問題，本實用新型提供了一種不同于現(xiàn)有結構的碲化鉍基熱電 發(fā)電器件，以克服錫焊器件受使用環(huán)境及溫度的限制，而且其制造的廢品率 及成本將遠低于現(xiàn)有的等離子的噴涂器件。本實用新型提供的碲化鉍基熱電發(fā)電器件由多孔支撐架、P/N型碲化鉍 基元件、阻擋層、焊錫層、低溫端電極和陶瓷基板、密封膠及高溫端電極和陶瓷基板組成。其特點在于(1)低溫端電極燒結在陶瓷基板上，低溫端電 極的圖形與多孔支撐架的孔相配合，當多孔支撐架放在陶瓷基板上時，低溫端電極全部位于相配合的多孔支撐架的孔中；(2)多孔支撐架位于上、下兩 陶瓷基板之間，低溫端電極、P/N型元件位于支撐架的孔中；(3)在低溫端電極與P/N型元件之間依次有焊錫層、阻擋層，焊錫層將P/N型元件與低溫 端電極結合在一起，阻擋層阻止焊錫原子向碲化鉍基材料擴散，以免惡化碲 化鉍基材料的性能；(4)密封膠位于多孔支撐架與陶瓷基板之間，將其縫隙 密封；(5)在P/N型元件的另一端依次有阻擋層、高溫端電極，及陶瓷基板。 這樣構成了導電串聯(lián)、導熱并聯(lián)的碲化鉍基熱電發(fā)電器件。多孔支撐架消除了 P/N型元件之間的間隙，克服了器件受使用環(huán)境的限 制，高溫端電極克服了器件受使用溫度的限制。阻擋層采用電鍍或者火焰噴 涂的方法制備，高溫端電極的制備采用火焰噴涂或者電弧噴涂，其成本大大 低于等離子噴涂，而且器件噴涂過程中受熱變形遠小于等離子噴涂，降低了 后續(xù)工序的工作量和廢品率，也有利于成本的降低。多孔支撐架由耐高溫樹脂制成，這種樹脂的商品名為PBB。 陶瓷基板為高熱導率的氧化鋁、氮化鋁陶瓷片，其厚度為0.2mm 0.5mm。低溫端電極為銅片，其厚度為0.2mm 0.4mm，采用燒結的方法制備在陶 瓷基板上。P/N型元件為P/N型碲化鉍基區(qū)熔或者燒結材料切割而成。 阻擋層為鎳層，厚度為5 50pm，采用電鍍或者火焰噴涂方法涂覆在P/N 型元件上。高溫端電極為鋁或者鋁合金，采用火焰噴涂或者電弧噴涂方法制備在阻 擋層上，厚度0.2mm 0.8mm。

圖1為現(xiàn)有技術——錫焊方法制備的碲化鉍基熱電發(fā)電器件；圖2 圖4為現(xiàn)有技術——金屬噴涂方法制備的碲化鉍基熱電發(fā)電器件，其中，圖2為器件的俯視圖，圖3為器件的1一1剖面圖，圖4為器件的2 —2截面圖；圖5 圖6為本發(fā)明提供的碲化鉍基熱電發(fā)電器件示意圖，其中，圖5為 器件立體圖，圖6為器件的截面圖；其中l(wèi)為陶瓷基板；2為低溫端電極；3焊錫層；4阻擋層；5多孔支撐架；6高溫端電極；7密封膠。
具體實施方式
下面進一步闡述本實用新型的特點和進步，但本實用新型絕非僅局限于 實施例。本實用新型提供的碲化鉍基熱電發(fā)電器件由多孔支撐架5、 P/N型碲化 鉍基元件、阻擋層4、焊錫層3、低溫端電極2和陶瓷基板1、密封膠7及高 溫端電極6和陶瓷基板組成；在所述的熱電發(fā)電器中低溫端電極2燒結在陶 瓷基板1上，低溫端電極2的圖形與多孔支撐架5的孔相配合；多孔支撐架 5位于上、下兩陶瓷基板l之間，低溫端電極2、 P/N型元件位于多孔支撐架 5的？L中；在低溫端電極2與P/N型元件之間依次有焊錫層3、阻擋層4，焊 錫層將P/N型元件與低溫端電極結合在一起；密封膠位于多孔支撐架5與陶 瓷基板1之間；在P/N型元件的另一端依次有阻擋層4、高溫端電極6，從 而構成了導電串聯(lián)、導熱并聯(lián)的碲化鉍基熱電發(fā)電器件。本實施例的陶瓷基板厚度為0.3mm 0.4mm;低溫端電極的厚度為 0.3mm;阻擋層的厚度為2.5pm ~30(im。高溫端電極位于P/N型元件的阻擋 層上，厚度為0.5mm 0.8mm。
權利要求1、一種碲化鉍基熱電發(fā)電器件，其特征在于所述的碲化鉍基熱電發(fā)電器件由多孔支撐架、P/N型碲化鉍基元件、阻擋層、焊錫層、低溫端電極和陶瓷基板、密封膠及高溫端噴涂電極和陶瓷基板組成；其中，(1)低溫端電極燒結在陶瓷基板上，低溫端電極的圖形與多孔支撐架的孔相配合；(2)多孔支撐架位于上、下兩陶瓷基板之間，低溫端電極、P/N型元件位于多孔支撐架的孔中；(3)在低溫端電極與P/N型元件之間依次有焊錫層、阻擋層，焊錫層將P/N型元件與低溫端電極結合在一起；(4)密封膠位于多孔支撐架與陶瓷基板之間；(5)在P/N型元件的另一端依次有阻擋層、高溫端噴涂電極，從而構成了導電串聯(lián)、導熱并聯(lián)的碲化鉍基熱電發(fā)電器件。
2、 按權利要求1所述的碲化鉍基熱電發(fā)電器件，其特征在于陶瓷基板厚 度為0.2mm 0.5mm。
3、 按權利要求1所述的碲化鉍基熱電發(fā)電器件，其特征在于低溫端電極 的厚度為0.2mm 0.4mm。
4、 按權利要求1所述的碲化鉍基熱電發(fā)電器件，其特征在于阻擋層的厚 度為5 50jim。
5、 按權利要求1所述的碲化鉍基熱電發(fā)電器件，其特征在于高溫端電極 位于P/N型元件的阻擋層上，厚度為0.2mm 0.8mm。
專利摘要本實用新型涉及一種碲化鉍基熱電發(fā)電器件，其特征在于(1)低溫端電極燒結在陶瓷基板上，低溫端電極的圖形與多孔支撐架的孔相配合；(2)多孔支撐架位于上、下兩陶瓷基板之間，低溫端電極、P/N型元件位于多孔支撐架的孔中；(3)在低溫端電極與P/N型元件之間依次有焊錫層、阻擋層，焊錫層將P/N型元件與低溫端電極結合在一起；(4)密封膠位于多孔支撐架與陶瓷基板之間；(5)在P/N型元件的另一端依次有阻擋層、高溫端電極，從而構成了導電串聯(lián)、導熱并聯(lián)的碲化鉍基熱電發(fā)電器件。本實用新型克服了現(xiàn)有的單純焊錫器件受使用環(huán)境和溫度的限制。
文檔編號H01L35/32GK201408783SQ200820154729
公開日2010年2月17日 申請日期2008年10月31日 優(yōu)先權日2008年10月31日
發(fā)明者吳燕青, 唐云山, 夏緒貴, 李小亞, 陳立東, 陶順衍, 魯瑞平 申請人:中國科學院上海硅酸鹽研究所;上海申和熱磁電子有限公司