熱電裝置和制品及其應(yīng)用
【專利說明】熱電裝置和制品及其應(yīng)用
[0001]相關(guān)申請的交叉引用
[0002]本申請要求享有2013年3月14日提交的美國臨時專利申請序列號N0.61/783，709和2013年4月4日提交的美國臨時專利申請序列號N0.61/808，472依據(jù)35 U.S.C.§ 119(e)的優(yōu)先權(quán)，其全部內(nèi)容通過引用結(jié)合于本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明涉及熱電材料并，具體而言，涉及裝置、制品、和引入熱電材料的織物。
【背景技術(shù)】
[0004]熱能廣泛應(yīng)用于發(fā)電。然而，通過現(xiàn)有方法將熱能轉(zhuǎn)換成電能的效率卻較低，范圍為約30%?40%。因此，顯著大量的熱能作為廢物逃逸到環(huán)境中。據(jù)估計，年度全球生產(chǎn)的電力約15太瓦的能量損失至環(huán)境中。
[0005]熱電材料能夠操作用于捕獲熱量而另外增加電力生產(chǎn)。熱電效率通過優(yōu)值系數(shù)(Figure of Merit)、ZT 量化。
[0006]表現(xiàn)出較高的ZT值的熱電材料具有較高的熱電效率。制作具有合理ZT值的熱電材料往往是很困難的和/或昂貴的。鉍的硫族元素化合物，例如，能夠提供具有范圍為0.7?I的ZT值的卓越熱電性能。這些材料能夠進(jìn)行納米結(jié)構(gòu)化而產(chǎn)生交替Bi2TejP Bi2Se3層的超晶格結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致產(chǎn)生具有可接受電導(dǎo)率和較差導(dǎo)熱性的材料。這些材料的制作，不過，可能是費時和昂貴的。
[0007]此外，由于制作要求和其他材料容差，許多熱電材料并不會使其自身輕易并入廣泛的各類器件中進(jìn)行集熱發(fā)電。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]在一個方面中，本文描述了一種熱電裝置，其在一些實施方式中能夠克服或減輕一個或多個當(dāng)前熱電材料的缺點。在一些實施方式中，本文中描述的熱電裝置包括至少一個偶聯(lián)至至少一個η-型層而提供ρη結(jié)的P-型層，和至少部分設(shè)置于P-型層和η-型層之間的絕緣層，P-型層包括碳納米顆粒而η-型層包括η-摻雜碳納米顆粒。P-型層的碳納米顆粒能夠是P-摻雜的。P-型層的納米顆粒和/或η-型層的納米顆粒能夠設(shè)置于包括電極化聚合物的聚合物基質(zhì)中。另外，絕緣層能夠包括表現(xiàn)出壓電行為的電極化聚合物或電極化顆粒，如鈦酸鋇(BaT13)顆粒，碲化鉍顆粒(BiTe)，其它無機(jī)顆?；蚱浠旌衔?。
[0009]本文中所述裝置的電極化聚合物和/或壓電顆粒能夠包括非隨機(jī)取向的電偶極和/或電偶極域。而且，電極化聚合物和/或顆粒也能夠表現(xiàn)出平行或基本平行于熱電裝置中電流流動的軸線取向的電偶極場以及表現(xiàn)出壓電/熱電行為。本文中描述的電極化組分的壓電和/或熱電性質(zhì)(piezoelectric/pyroelectric properties)能夠容許熱電裝置摻入這種組分而提供除了由暴露于熱梯度所產(chǎn)生的電輸出之外還由于機(jī)械變形所產(chǎn)生的電輸出。
[0010]在一些實施方式中，本文中描述的熱電裝置包含偶聯(lián)至多個η-型層而提供多個ρη結(jié)的多個P-型層，和至少部分設(shè)置于P-型層和η-型層之間的絕緣層，其中至少一個P-型層包含碳納米顆粒而至少一個η-型層包含η-摻雜碳納米顆粒。熱電裝置的P-型層、η-型層和/或絕緣層能夠包含電極化聚合物。另外，P-型層和η-型層能夠設(shè)置成堆疊構(gòu)造，絕緣層處于這二者之間。
[0011]正如本文中進(jìn)一步所述，ρη結(jié)能夠形成于P-型層和η-型層的界面上。在一些實施方式中，界面過渡區(qū)存在于通過P-型層接觸η-型層而形成的ρη結(jié)上。界面過渡區(qū)包含混有η-型層的納米顆粒的P-型層的納米顆粒。P-型和η-型層的納米顆粒的混合能夠提供異質(zhì)結(jié)構(gòu)的Pdt另外，金屬中間層能夠設(shè)置于ρη結(jié)的P-型層和η-型層之間。另外，本文中描述的裝置的Pn結(jié)能夠起到與本文中描述的電極化的聚合物基質(zhì)的壓電和/或熱電行為相關(guān)的電壓輸出的整流器(rectifier)作用。
[0012]在本文中描述的熱電裝置的一些實施方式中，包含P-摻雜的和η-摻雜的碳納米管的碳納米顆粒能夠用一種或多種無機(jī)半導(dǎo)體納米顆粒代替。在一些實施方式中，無機(jī)半導(dǎo)體納米顆粒包括IV族材料，H/VI族材料或III/V族材料或其組合。在一些實施方式中，無機(jī)半導(dǎo)體納米顆粒包括量子點(quantum dot)和/或納米線(nanowire)。在一些實施方式中，無機(jī)半導(dǎo)體納米顆粒具有與任何本文中描述的碳納米顆粒一致的尺寸。
[0013]在另一方面中，本文中描述的光熱裝置包括光伏部件和熱電部件，熱電部件包括至少一個偶聯(lián)至至少一個η-型層而提供ρη結(jié)的P-型層，和至少部分設(shè)置于P-型層和η-型層之間的絕緣層，P-型層包括碳納米顆粒而η-型層包括η-摻雜碳納米顆粒。在一些實施方式中，P-型層的納米顆粒和/或η-型層的納米顆粒設(shè)置于包括電極化聚合物的聚合物基質(zhì)之中。另外，絕緣層能夠包括表現(xiàn)出壓電行為的電極化聚合物或電極化顆粒。
[0014]而且，在一些實施方式中，熱電部件包含多個偶聯(lián)至多個η-型層而提供多個ρη結(jié)的P-型層，和至少部分設(shè)置于P-型層和η-型層之間的絕緣層。正如本文中所述，PU結(jié)能夠包括由混有η-型層的納米顆粒的P-型層的納米顆粒形成的異質(zhì)界面過渡區(qū)。另外，金屬中間層能夠設(shè)置于ρη結(jié)的P-型和η-型層之間。
[0015]光熱裝置能夠進(jìn)一步包括位于光伏部件和熱電部件之間的斯托克斯迀移層(Stokes shift layer)。斯托克斯迀移層包含一種或多種可用于產(chǎn)生向熱電部件的紙鄰側(cè)面?zhèn)鬏數(shù)臒崮艿乃雇锌怂罐|移化學(xué)物質(zhì)。在一些實施方式中，斯托克斯迀移化學(xué)物質(zhì)吸收穿過光伏部件的電磁輻射。
[0016]另外，在一些實施方式中，通過一種或多種斯托克斯迀移化學(xué)物質(zhì)發(fā)射的輻射被光伏部件吸收。
[0017]在另一方面中，本文中描述了制作熱電裝置的方法。在一些實施方式中，制作熱電裝置的方法包括:提供至少一層包括設(shè)置于第一聚合物基質(zhì)中的碳納米顆粒的P-型層，提供至少一層包括設(shè)置于第二聚合物基質(zhì)中的η-摻雜碳納米顆粒的η-型層，將絕緣層布置于P-型層和η-型層之間，和將P-型層和η-型層偶聯(lián)而提供ρη結(jié)。第一聚合物基質(zhì)和/或第二聚合物基質(zhì)能夠進(jìn)行電極化而在第一和/或第二聚合物基質(zhì)中提供至少部分對齊排列的偶極域。另外，絕緣層能夠進(jìn)行電極化而在絕緣層中提供至少部分對齊排列的偶極域。絕緣層的偶極域能夠包括表現(xiàn)出壓電行為的結(jié)晶或半結(jié)晶域的聚合物材料和/或離散顆粒，如BaT13顆粒。極化作用能夠包括沿著P-型層和/或η-型層的長度壓裝一種或多種相互交錯的陣列和向陣列施加極化電壓。P-型層和η-型層偶聯(lián)而提供ρη結(jié)，能夠在P-型和η-型層的界面上形成異質(zhì)界面過渡區(qū)。此外，金屬中間層能夠位于結(jié)位置上的P-型和η-型層之間。
[0018]在本文中描述的方法的一些實施方式中，提供并相互偶聯(lián)多個P-型層和η-型層而導(dǎo)致形成多個ρη結(jié)。在一些實施方式中，絕緣層位于P-型層而η-型層之間，其中P-型層和η-型層為堆疊構(gòu)造。堆疊的P-型層、η-型層和/或絕緣層的聚合物能夠包括電極化聚合物或電極化壓電顆粒。
[0019]在另一方面中，本文描述了制作光熱裝置的方法。在一些實施方式中，制作光熱裝置的方法包括提供光伏部件，提供熱電部件并偶聯(lián)光伏部件和熱電部件，熱電部件包括至少一個偶聯(lián)至至少一個η-型層而提供ρη結(jié)的P-型層，和至少部分設(shè)置于P-型層和η-型層之間的絕緣層，P-型層包括碳納米顆粒而η-型層包括η-摻雜碳納米顆粒。在一些實施方式中，熱電部件包含多個偶聯(lián)至多個η-型層而提供多個正如本文中所述的ρη結(jié)的P-型層。
[0020]在一些實施方式中，制作光熱裝置的方法進(jìn)一步包括將斯托克斯迀移層置于光伏部件和熱電部件之間。
[0021]在另一方面中，本文中描述了將電磁能轉(zhuǎn)化成電能的方法。在一些實施方式中，將電磁能轉(zhuǎn)化成電能的方法包括提供包括光伏部件和偶聯(lián)至光伏部件的熱電部件的裝置，熱電部件包括至少一個偶聯(lián)至至少一個η-型層而提供ρη結(jié)的P-型層，和至少部分設(shè)置于P-型層和η-型層之間的絕緣層，P-型層包括碳納米顆粒而η-型層包括η-摻雜碳納米顆粒。電磁輻射被光伏部件吸收而提供光電流并加熱熱電部件的一個側(cè)面，引發(fā)橫跨熱電部件的電壓。而且，在一些實施方式中，熱電部件的至少一個P-型層的納米顆粒和/或至少一個η-型層的納米顆粒設(shè)置于電極化聚合物基質(zhì)之中。另外，熱電部件的絕緣層能夠包括電極化聚合物和/或電極化壓電顆粒。
[0022]在一些實施方式中，加熱熱電部件的一個側(cè)面包括將光伏部件中產(chǎn)生的熱量傳遞至熱電部件的一個側(cè)面。另外，在一些實施方式中，加熱熱電部件的一個側(cè)面包括在光伏部件和熱電部件之間提供斯托克斯迀移層，采用斯托克斯迀移層吸收電磁輻射而產(chǎn)生熱量和電磁輻射并將所產(chǎn)生的熱量傳遞至熱電部件的一個側(cè)面。在一些實施方式中，通過斯托克斯迀移層產(chǎn)生的電磁輻射傳播給光伏部件而產(chǎn)生光電流。
[0023]在還有的另一方面中，本文中描述的熱電制品，在一些實施方式中，能夠克服或減輕當(dāng)前熱電制品的一個或多個缺點。例如，在一些實施方式中，本文中描述的制品能夠用于有效地將熱能轉(zhuǎn)化成電能，包括在制品設(shè)置于非平面表面或復(fù)雜幾何形狀的表面上時。在一些實施方式中，本文中描述的熱電制品能夠用作或引入到服裝制品中。本文中描述的制品能夠也能夠用作電子器件如移動電話或平板設(shè)備的外殼。而且，在一些實施方式中，本文中描述的制品能夠按照適形或基本適形的方式設(shè)置于人用戶的皮膚或電子器件的表面上或與之接觸而使熱電制品能夠由通過人體或電子器件產(chǎn)生的過量熱量產(chǎn)生電能。
[0024]在一些實施方式中，本文中描述的制品包含熱絕緣載體和熱電模塊，熱電模塊由圍繞或穿過熱絕緣載體而在熱絕緣載體的相對兩側(cè)面上提供熱電模塊的外面(face)的結(jié)構(gòu)形成。在一些實施方式中，熱電模塊的結(jié)構(gòu)是連續(xù)的。連續(xù)的結(jié)構(gòu)能夠是導(dǎo)電性的。而且，連續(xù)的結(jié)構(gòu)可以包括偶聯(lián)至η-型層而形成ρη結(jié)的P-型層，其中絕緣層部分設(shè)置于P-型層和η-型層之間。另外，在一些實施方式中，在熱電模塊的外面上的P-型層和η-型層基本平行于熱絕緣載體的相對兩側(cè)面。另外，圍繞或穿過絕緣載體的熱電模塊的一段連續(xù)結(jié)構(gòu)能夠基本正交于熱電模塊的至少一個外面。
[0025]本文中描述的熱電模塊結(jié)構(gòu)的P-型層能夠包括碳納米顆粒，而同時結(jié)構(gòu)的η-型層包括η-摻雜碳納米顆粒。而且，P-型層的碳納米顆粒能夠是P-摻雜的。P-型層的納米顆粒和/或η-型層的納米顆粒也能夠設(shè)置于電極化聚合物的聚合物基質(zhì)中。另外，本文中描述的熱電模塊結(jié)構(gòu)的絕緣層能夠包括表現(xiàn)出壓電行為的電極化聚合物或電極化顆粒，如鈦酸鋇(BaT13)顆粒，碲化鉍顆粒(BiTe)，其它無機(jī)顆?；蚱浠旌衔?。
[0026]本文中描述的結(jié)構(gòu)的電極化聚合物和/或壓電顆粒能夠包括非隨機(jī)取向的電偶極和/或電偶極域。電極化聚合物和/或顆粒也能夠表現(xiàn)出平行或基本平行于在熱電模塊的電流流動的軸線向取向的電偶極場以及表現(xiàn)出壓電/熱電行為。本文中描述的電極化組分的壓電和/或熱電性質(zhì)能夠容許制品引入到這種組分而提供除了由暴露于熱梯度所產(chǎn)生的電輸出之外還由機(jī)械變形產(chǎn)生的電輸出。
[0027]在另一方面中，本文中描述了熱電織物。在一些實施方式中，本文中描述的織物包含本文中以上描述的熱電制品，其中制品的熱絕緣載體包含織物的一種或多種纖維。例如，在一些實施方式中，本文中描述的織物包含一種或多種熱絕緣纖維和由圍繞或穿過熱絕緣纖維而在熱絕緣纖維的相對兩側(cè)面上提供熱電模塊的外面的結(jié)構(gòu)形成的熱電模塊。
[0028]在還有的另一方面中，本文中描述了制作制品的方法。在一些實施方式中，制作制品的方法包括提供熱絕緣載體并將熱電模塊的結(jié)構(gòu)圍繞或穿過熱絕緣載體而在熱絕緣載體的相對兩側(cè)面上提供熱電模塊的外面。在一些實施方式中，熱電模塊的結(jié)構(gòu)是連續(xù)的。而且，連續(xù)的熱電模塊結(jié)構(gòu)包含偶聯(lián)至η-型層而形成ρη結(jié)的P-型層，其中絕緣層部分設(shè)置于P-型層和η-型層之間。另外，在熱電模塊的外面上的P-型層和η-型層能夠基本平行于熱絕緣載體的相對兩側(cè)面。而且，熱絕緣載體能夠是織物的一種或多種纖維。
[0029]而且，將熱電模塊的結(jié)構(gòu)圍繞或穿過熱絕緣載體能夠進(jìn)一步包括提供基本正交于熱電模塊的至少一個外面的一段熱電結(jié)構(gòu)。另外，在一些實施方式中，制品的熱電模塊能夠并行連接(并聯(lián))。
[0030]在另一方面中，本文中描述了產(chǎn)生電能的方法。在一些實施方式中，將熱能轉(zhuǎn)化成電能的方法包括提供包括熱絕緣載體和熱電模塊的制品，熱電模塊由圍繞或穿過熱絕緣載體而在熱絕緣載體的相對兩側(cè)面上提供熱電模塊的外面的結(jié)構(gòu)形成。熱能通過熱電模塊吸收而引發(fā)橫跨熱電模塊的電壓。另外，制品的熱電模塊，在一些實施方式中，表現(xiàn)出壓電/熱電性質(zhì)而使得響應(yīng)制品上的機(jī)械波動或應(yīng)力產(chǎn)生電能。
[0031]這些和其它實施方式在以下的詳細(xì)描述中更加詳細(xì)地進(jìn)行描述。
【附圖說明】
[0032]圖1示出了根據(jù)本文中描述的一種實施方式的熱電裝置或熱電模塊的放大側(cè)面透視圖。
[0033]圖2示出了根據(jù)本文中描述的一種實施方式的熱電裝置或熱電模塊的透視圖。
[0034]圖3示出了根據(jù)本文中描述的一些實施方式的聚合物基質(zhì)中的各種碳納米管負(fù)載率的塞貝克系數(shù)值(Seebeck coefficient value) ο
[0035]圖4示出了根據(jù)本文中描述的一種實施方式的光熱裝置。
[0036]圖5示出了根據(jù)本文中描述的一種實施方式的熱電裝置的側(cè)面放大圖。
[0037]圖6示出了根據(jù)本文中描述的一種實施方式的熱電裝置或熱電模塊的ρη結(jié)的異質(zhì)界面過渡區(qū)。
[0038]圖7示出了本文中描述的熱電裝置或熱電模塊的極化的聚合物復(fù)合膜的電壓輸出和通過復(fù)合膜形成的ρη結(jié)對這種輸出的整流。
[0039]圖8示出了根據(jù)本文中描述的一種實施方式的熱電制品的平面圖。
[0040]圖9示出了沿著線9-9選取的圖8制品的橫截面視圖。
[0041]圖10示出了根據(jù)本文中描述的一種實施方式的制品的透視圖。
【具體實施方式】
[0042]本文中描述的實施方式通過參照以下的詳細(xì)說明、實施例和附圖能夠更容易被理解。然而，本文中描述的元件、裝置和方法并不限于詳細(xì)描述中的【具體實施方式】、實施例和附圖。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，這些實施方式只是本發(fā)明原理的舉例說明。對于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下許多修改和改變將是顯而易見。
[0043]另外，本文中公開的所有范圍應(yīng)該理解為涵蓋任何和所有歸入的子范圍。例如，所陳述的范圍“1.0?10.0”應(yīng)該認(rèn)為包括以最小值1.0或更大值開始并以最大值10.0或更小的值結(jié)束的任何及所有子范圍，例如，I?5.3，或4.7?10，或3.6?7.9。
[0044]此處公開的所有范圍，除非另外明確指出，也應(yīng)該認(rèn)為包括所述范圍的端點。例如，“5?10”的范圍一般應(yīng)該認(rèn)為包括端點5和10。
[0045]此外，當(dāng)短語“高達(dá)(up to)”結(jié)合數(shù)量使用時，應(yīng)該理解的是，所述數(shù)量是至少可檢測的量。例如，按照“高達(dá)”指定數(shù)量存在的物質(zhì)能夠從可檢測的數(shù)量至高達(dá)和包括所述指定的數(shù)量存在。
[0046]1.熱電裝置
[0047]在一個方面中，本文中描述了熱電裝置。本文中描述的熱電裝置包含至少一個偶聯(lián)至至少一個η-型層而提供ρη結(jié)的P-型層，和至少部分設(shè)置于P-型層和η-型層之間的絕緣層，P-型層包括碳納米顆粒而η-型層包括η-摻雜碳納米顆粒。在一些實施方式中，P-型層的碳納米顆粒是P-摻雜的。P-型層的納米顆粒和/或η-型層的納米顆粒能夠設(shè)置于包括電極化聚合物的聚合物基質(zhì)中。另外，絕緣層能夠包括表現(xiàn)出壓電行為的電極化聚合物或電極化顆粒。本文中描述的裝置的電極化聚合物和/或壓電顆粒能夠包括非隨機(jī)取向的電偶極和/或電偶極域。而且，電極化聚合物和/或顆粒能夠也表現(xiàn)出平行或基本平行于熱電裝置中電流流動的軸線取向的電偶極場以及表現(xiàn)出壓電/熱電行為。本文中描述的電極化組分的壓電和/或熱電性質(zhì)能夠容許熱電裝置引入這種組分而提供除了由暴露于熱梯度所產(chǎn)生的電輸出之外還由機(jī)械變形產(chǎn)生的電輸出。
[0048]另外，在一些實施方式中，本文中的熱電裝置的P-型層，η-型層或絕緣層表現(xiàn)出熱電場。熱電場能夠具有與本發(fā)明的目的不矛盾的任何取向。例如，熱電場能夠平行或基本平行于裝置中電流流動的軸線進(jìn)行取向。
[0049]在一些實施方式中，本文中描述的熱電裝置包含多個偶聯(lián)至多個η-型層而提供多個ρη結(jié)的P-型層，和至少部分設(shè)置于P-型層和η-型層之間的絕緣層，其中至少一個P-型層包含碳納米顆粒而至少一個η-型層包含η-摻雜碳納米顆粒。另外，P-型層、η-型層或絕緣層能夠包括電極化聚合物。在一些實施方式中，本文中描述的熱電裝置的P-型層和η-型層為堆疊構(gòu)造。
[0050]正如本文中所述，使P-型層和η-型層接觸而產(chǎn)生ρη-結(jié)。在一些實施方式中，界面過渡區(qū)存在于通過P-型層接觸η-型層形成的ρη結(jié)處。界面過渡區(qū)包含P-型層和η-型層混合的納米顆粒。P-型和η-型層的納米顆粒的混合能夠提供異質(zhì)結(jié)構(gòu)的ρη結(jié)。圖6示出了根據(jù)本文中描述的一個實施方式的熱電裝置的ρη結(jié)的異質(zhì)界面過渡區(qū)。
[0051]另外，金屬中間層能夠設(shè)置于ρη結(jié)的P-型層和η-型層之間。金屬中間層能夠由與本發(fā)明的目的一致的任何金屬構(gòu)成。例如，金屬中間層能夠由包括金，鉑，銥，鈀，鋨，銀，銠或釕，或其合金的貴金屬構(gòu)成。金屬中間層也可以由鋁，鎳，銅，其它過渡金屬或過渡金屬合金形成。而且，金屬中間層可以由表現(xiàn)出金屬屬性有機(jī)材料如石墨或石墨烯構(gòu)成。
[0052]金屬中間層能夠起到銷連接層(pinning layer)的作用。銷連接層，在一些實施方式中，銷連接費米級的毗鄰η-型層和P-型層。而且，本文中描述的銷連接層能夠能級上匹配于η-型層或P-型層。
[0053]在一些實施方式中，本文中描述的熱電裝置的ρη結(jié)能夠起到與裝置的極化聚合物構(gòu)造結(jié)構(gòu)的壓電和/或熱電行為相關(guān)的電壓輸出的整流器作用。圖7示出了本文中描述的熱電裝置中采用的極化壓電薄膜的整流作用。提供包括碳納米管的電極化PVDF膜并懸浮于10 6托(torr)的真空系統(tǒng)中，而冷塊(cold block)連接到膜的