[发明专利]一种耐高温稳定的碲化铋基热电半导体发电器件及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种耐高温稳定的碲化铋基热电半导体发电器件及其制备方法，属热电发电器件技术领域。

背景技术

热电半导体温差发电可以将低品位的热能直接转换为电能，在合适的温度下可以保持很长的寿命，使其作为一种能源领域的高新技术成为国际上竞相研究的热点之一，并将对人类21世纪经济生活和社会发展产生重大的影响。开发一种耐高温稳定的热电半导体发电器件适应低品位热源温度范围，无论是在技术理论和实验证明上的都是提高能源利用率的有效方法。

碲化铋基热电半导体发电器是目前室温附近及低温段(温度低于350℃)热电转换率最高的热电发电器件，提高碲化铋基热电发电器的使用温度，进而大幅度提高其应用范围和转换效率的有效途径。目前制备碲化铋基热电发电器有双面无铅锡焊带陶瓷板的电极法和内嵌多孔支撑架的喷涂电极法。如公开号CN101409324公开了一种碲化铋基热电发电器件及制作方法，该发电器件由多孔支撑架、P/N型元件、阻挡层、焊锡层、低温端电极和陶瓷基板、密封胶及高温端喷涂电极和陶瓷基板组成。

目前国内生产的使用温度只能在100℃以下；国外少数在热电行业领先的厂家能生产的使用温度达200℃，但无法解决元件与电极间的焊接不良，焊接不良和长期使用过程中热面温度高热应力难释放等因素引起的耐高温稳定性差，在200℃条件下热冲击1000次性能下降10％以上。

公有的内嵌多孔支撑架的喷涂法解决了目前锡焊焊接不良的问题，但由于受到支撑架的限制只能制备元件较大的热电发电器件、喷涂的电极固定在支撑架上热应力难释放也会导致的耐高温稳定性差、支撑架的导热引起冷热面温差下降导致热电转换效率下降，支撑架作为元器件的组成部分，其变形也会导致元件变形或折断，影响器件寿命，同时支撑架的制备会增加工序、提高成本和增加器件的重量。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种工艺简单、元器件内部无支撑架结构、器件规格尺寸大小不限、成品率高、成本低、热电转换效率高、耐高温、长期使用性能稳定性好，适用于工业化批量制备耐高温的碲化铋基热电半导体发电器件的产品和制备技术。

本发明的技术方案是，本发明耐高温的碲化铋基热电半导体发电器件为“三明治”结构形式，所述碲化铋基热电半导体发电器件具备：

作为高温热端的光面绝缘陶瓷基板；

作为低温冷端的带金属图形的绝缘陶瓷基板；

位于冷热端绝缘陶瓷基板之间的碲化铋基p/n型元件；

作为低温端电极的导流铜片；

用于焊接冷端陶瓷与导流铜片的无铅焊料；

碲化铋基p/n型元件高温端喷涂的镍层和铝合金层；

作为高温端喷涂电极的锌喷涂层，该锌喷涂层喷涂在高温端镍层和铝合金喷涂层之上。

本发明耐高温的碲化铋基热电半导体发电器件的制备方法为：

(1)以制备好的p/n型热电晶棒为原料，切割成厚大于0.6mm厚的p/n大片，将切好的p/n大片表面均匀镀上镍层，使热电晶片表面金属化，将金属化后的大片表面切割成底面0.6×0.6mm～6.0×6.0mm、高大于0.6mm的p/n型元件；

(2)准备用于制备碲化铋基热电半导体发电器件的多孔模腔和阻挡栅格：以不锈钢为原材料，加工底面大小与陶瓷板一致的多孔模腔，孔洞大小约大于元件底面积，采用高度低于元件高度约1mm的模腔(模腔可以反复使用)，用来批量生产时给p/n型元件定位；

以铁或其它材质的耐高温板为原料，加工成能露出热端电极的阻挡栅格，作为喷涂的阻挡层，栅格板的厚度为1mm；

(3)将带金属图形的冷面陶瓷板表面挂上227℃的Sn93Cu7或240℃的Sn95Sb5的无铅焊料，将导流铜片焊接在冷面陶瓷板的图形上；

将多孔模具放在覆上低温端电极的陶瓷基板上，将p/n型碲化铋基元件放入多孔模腔的孔中，p/n型碲化铋基元件上的表面金属化层与低温端电极上227℃的Sn93Cu7或240℃的Sn95Sb5的无铅焊层相接触，以0.25m/min的速度通过长为5m的隧道炉进行热焊，保证最高温区温度为320^±10℃～340^±10℃，加热实现p/n型碲化铋基元件与低温端电极的良好焊接，焊接完取下多孔模具；

(4)在冷面陶瓷板上焊接有器件元件的元件间填充一种既易固化、又易清洗的工艺填充物，置于与元件热面高度一致后进行固化，固化后将p/n型碲化铋基元件热端表面的氧化层抛光至元件表面发亮，用气枪吹掉抛光留下的颗粒。

这种既易固化、又易清洗的工艺填充物可选用白水泥或滑石粉。