一種半導(dǎo)體溫差發(fā)電片的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體溫差發(fā)電器件，具體涉及一種半導(dǎo)體溫差發(fā)電片。
技術(shù)背景
[0002]溫差電是研宄溫差和電之間關(guān)系的科學(xué)，更準(zhǔn)確地說(shuō)是研宄熱能和電能直接轉(zhuǎn)換的科學(xué)。由于金屬的溫差電效應(yīng)非常微弱，所以在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)并未得到廣泛的應(yīng)用。自從人們發(fā)現(xiàn)用半導(dǎo)體和金屬氧化物代替金屬可以使溫差電效應(yīng)得到明顯提高后，溫差電效應(yīng)的應(yīng)用翻開(kāi)了新的一頁(yè)。溫差發(fā)電起源于六個(gè)與熱電轉(zhuǎn)換有關(guān)的基本效應(yīng):塞貝克效應(yīng)(Seebeck effect)、帕爾貼效應(yīng)(Peltier Effect)、湯姆遜效應(yīng)(Thomson Effect)、焦耳效應(yīng)(Joule Effect)、傅里葉效應(yīng)(Fourier Effect)和霍爾效應(yīng)(Hall Effect)。基于這六個(gè)效應(yīng)，可以制造出實(shí)現(xiàn)熱能與電能之間相互轉(zhuǎn)換的溫差電器件。
[0003]由于溫差發(fā)電的重要性，目前已申請(qǐng)的專利較多。中國(guó)專利申請(qǐng)201320123155公開(kāi)了一種汽車(chē)尾氣溫差發(fā)電裝置及具有其的汽車(chē)，可實(shí)現(xiàn)汽車(chē)尾氣能量回收，提高發(fā)動(dòng)機(jī)效率，使汽車(chē)尾氣溫差發(fā)電裝置的組成零件少，加工簡(jiǎn)單，生產(chǎn)成本低，布置空間緊湊，耐久性和可靠性更好，易實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。中國(guó)專利申請(qǐng)201310219930公開(kāi)了一種便攜式溫差發(fā)電照明裝置，通過(guò)將溫差發(fā)電片組的熱端緊貼供熱箱，供熱箱的下部連接燃燒室，極大地提高了溫差發(fā)電效率和溫差發(fā)電量，使其能夠達(dá)到實(shí)際照明使用需求，同時(shí)對(duì)整個(gè)照明裝置進(jìn)行了便攜式設(shè)計(jì)，使其市場(chǎng)實(shí)用化程度得到大幅提升。然而，這些發(fā)明只是利用溫差發(fā)電片進(jìn)行應(yīng)用設(shè)計(jì)，利用不同高低品味熱源實(shí)施系統(tǒng)的組裝，并未深入溫差發(fā)電片進(jìn)行原型設(shè)計(jì)，所采用的溫差發(fā)電片的效率和功率都偏低。
[0004]現(xiàn)有半導(dǎo)體溫差發(fā)電片，由上、下絕緣導(dǎo)熱板及其之間的2Nf溫差發(fā)電單元構(gòu)成，N = 5、6、7、8或9，各溫差發(fā)電單元包括左、右溫差電偶臂，現(xiàn)有溫差電偶臂可以采用多種半導(dǎo)體材料，包括Bi2Te3/Sb2Te3、PbTe、SiGe等，812了63/31^^3在低溫下適用，PbTe在溫度范圍400?800K適用，而SiGe適用于700K以上高溫。目前研宄主要集中在溫差電性能最好的二元合金CoSb3和金屬Si化物，對(duì)于二元合金CoSb3，還通過(guò)低維化或者填充、置換等成分優(yōu)化來(lái)提高其溫差電性能；金屬Si化物是由過(guò)渡元素與Si形成的化合物，如FeSi2,MnSi2, CrSi2等，這類(lèi)材料的熔點(diǎn)很高，適合于溫差發(fā)電。文獻(xiàn)上也曾報(bào)導(dǎo)以NaCo2O4, Ca2Co2O5, Ca3Co2O6,Ca3Co4O9為代表的氧化物型溫差電材料，可以在空氣中直接燒結(jié)制備，成本低，并且大多數(shù)沒(méi)有毒性，不會(huì)污染環(huán)境，還能長(zhǎng)時(shí)間在高溫氧化條件下正常工作。
[0005]現(xiàn)有半導(dǎo)體溫差發(fā)電片中，溫差電偶臂面長(zhǎng)比一般為0.26_，存在功率較低、縱向尺寸(厚度)較大，導(dǎo)致無(wú)法夾緊難以應(yīng)用至微型電子器件中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體溫差發(fā)電片，解決現(xiàn)有半導(dǎo)體溫差發(fā)電片功率較低、厚度較大的問(wèn)題，以便于夾緊和應(yīng)用至微型電子器件中。
[0007]本發(fā)明所提供的一種半導(dǎo)體溫差發(fā)電片，由上絕緣導(dǎo)熱板、下絕緣導(dǎo)熱板及其之間的2"個(gè)溫差發(fā)電單元構(gòu)成，N = 5、6、7、8或9，2N個(gè)溫差發(fā)電單元按行、列排列成陣列；各溫差發(fā)電單元包括左溫差電偶臂、右溫差電偶臂，上導(dǎo)流片、左導(dǎo)流片和右導(dǎo)流片，左溫差電偶臂和右溫差電偶臂頂面分別通過(guò)上左焊料層和上右焊料層焊接于所述上導(dǎo)流片底面，左溫差電偶臂和右溫差電偶臂底面分別通過(guò)下左焊料層和下右焊料層焊接于所述左導(dǎo)流片和右導(dǎo)流片頂面；2Nf溫差發(fā)電單元排列成陣列時(shí)，每行溫差發(fā)電單元中，左右相鄰的溫差發(fā)電單元共用左導(dǎo)流片或右導(dǎo)流片:左溫差發(fā)電單元的右導(dǎo)流片作為右溫差發(fā)電單元的左導(dǎo)流片；每行末端的溫差發(fā)電單元的左導(dǎo)流片或右導(dǎo)流片作為下一行對(duì)應(yīng)同一列的溫差發(fā)電單元的左導(dǎo)流片或右導(dǎo)流片，使得2N個(gè)溫差發(fā)電單元串聯(lián)，其特征在于:
[0008]所述左、右溫差電偶臂形狀、結(jié)構(gòu)相同，均為矩形，面積為(0.1mm?10mm) X (0.1mm?1mm)，面長(zhǎng)比為0.52mm?8.33mm，均采用多濃度梯度溫差親合材料制作，所述面長(zhǎng)比系表面積與厚度之比。
[0009]所述的半導(dǎo)體溫差發(fā)電片，其特征在于:
[0010]所述多濃度梯度溫差耦合材料為摩爾比(50+x): (50 - X)的Bi2TeJP Sb 21^3的固熔體合金(Bi50+xSb50_x)2(Te50+xSe50_x)3^ 彡 x < 50。
[0011]所述的半導(dǎo)體溫差發(fā)電片，其特征在于:
[0012]所述上導(dǎo)流片、左導(dǎo)流片和右導(dǎo)流片采用純Cu材料制作；
[0013]所述上左、上右、下左和下右焊料層采用Sn-Ag無(wú)鉛合金或Sn-Zn無(wú)鉛合金材料；
[0014]所述上、下絕緣導(dǎo)熱板采用Al2O3材料制作。
[0015]本發(fā)明在保持焊料層、導(dǎo)流層、導(dǎo)熱基板和熱電材料熱物性與市場(chǎng)上各型號(hào)相同的發(fā)電片相匹配的情況下，提供新型材料配比的(BixSb1J2 (TexSe1J3溫差電材料，通過(guò)調(diào)配Bi2Te3半導(dǎo)體晶體生長(zhǎng)過(guò)程中的雜質(zhì)配比，將Sb、Se元素?fù)诫s入N型和P型半導(dǎo)體晶體Bi2Te3*，形成固溶體合金，可以提高塞貝克系數(shù)和電導(dǎo)率，在材料晶體結(jié)構(gòu)中引入適當(dāng)?shù)亩坛虩o(wú)序，可以保持迀移率不發(fā)生明顯變化的條件下進(jìn)一步降低材料熱導(dǎo)率，從而使材料的溫差電優(yōu)值得到進(jìn)一步提高。導(dǎo)流片采用電導(dǎo)率極高的純Cu片，絕緣導(dǎo)熱板采用電導(dǎo)率極低熱導(dǎo)率極高的A1203。采用此種原料配比，可以輸出比其他中低溫溫差發(fā)電片更高的發(fā)電效率和功率。
[0016]本發(fā)明提高溫差電偶臂的面長(zhǎng)比，縱向尺寸(厚度)可以降低至8倍，厚度僅有2.26mm,大大提高了體積功率比和輸出功率，增大系統(tǒng)的質(zhì)量比功率，相比市場(chǎng)上現(xiàn)有尺寸溫差發(fā)電片，最大輸出功率能提高8倍，達(dá)到0.8W。輸出功率隨著負(fù)載電阻的變化而變化，當(dāng)負(fù)載電阻與發(fā)電片本身的電阻相匹配時(shí)，負(fù)載能夠從發(fā)電片中獲得最大的輸出功率。
[0017]綜上所述，本發(fā)明具備厚度薄功率大的優(yōu)點(diǎn)，能有效減小體積和投資成本，不僅能夠根據(jù)實(shí)際需要在不同溫度梯度和荷載條件下穩(wěn)定運(yùn)行，也能夠提高所匹配負(fù)載的額定功率，結(jié)合溫場(chǎng)的宏觀調(diào)控(不同冷熱源配比)和微觀調(diào)控(發(fā)電片排布設(shè)置)使通用性更強(qiáng)，可以在各種不同溫度梯度熱源條件的微型應(yīng)用場(chǎng)景以及空間探測(cè)中廣泛應(yīng)用，尤其適用于熱源品味小、使用空間狹窄、負(fù)載額定功率較大的工況條件。
【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖2為圖1中溫差發(fā)電單元的剖視圖；
[0020]圖3為溫差發(fā)電單元的立體示意圖。
[0021]圖中標(biāo)記:上絕緣導(dǎo)熱板10、下絕緣導(dǎo)熱板20、溫差發(fā)電單元30、左溫差電偶31臂、右溫差電偶臂32、上導(dǎo)流片33、左導(dǎo)流片34、右導(dǎo)流片35、上左焊料層36、上右焊料層37、下左焊料層38、下右焊料層39。
【具體實(shí)施方式】
[0022]以