[发明专利]涂覆有保护层的热电材料

说明书

技术领域

本发明涉及涂覆有保护层以阻止由湿度、氧气、化学物质或加热导致的退化的热电材料，以及包括热电材料的热电模块，以及用于制备热电材料和模块的方法。

发明内容

热电发电机和Peltier结构本身已公开了一段时间。一侧受到加热而另一侧被冷却的p和n型掺杂半导体传输电荷通过外电路，并且可以通过电路中的负载作电功。在这种方法中实现的热到电能的转换效率在热动学上受到Carnot效率限制。因此，在高温侧温度为1000K、“低温”侧温度为400K的情况下可以获得(1000-400)∶1000＝60％的效率。然而，迄今为止最高只能获得6％的效率。

另一方面，当向这种结构施加直流电流时，热量从一侧传输至另一侧。这种Peltier结构像热泵一样工作，因此适于冷却设备部件、车辆或建筑物。相比于常规加热，基于Peltier原理的加热也更优选，因为相比于对应于提供的能量当量，其传输更多热量。

例如George S.Nolas，Joe Poon和Mercouri Kanatzidis的“Recent Developments in Bulk Thermoelectric Materials”(MRS Bulletin，2006，第31卷，199-206)很好地回顾了效果和材料。

目前，热电发电机被用在例如航空探测器中用于产生直流电、用于管道的阴极抗腐蚀、用于向灯浮标和无线电浮标提供能量、以及用于使收音机和电视工作。热电发电机的优势在于它极度可靠。例如，它们可以在任何大气条件(诸如大气湿度)下工作；不存在易于产生故障的质量转移，而只有电荷转移。可以使用从氢气到天然气、汽油、煤油、柴油燃料、直至生物方式获取的燃料(例如菜籽油甲酯)的任何燃料。

热电能量转换因此能够非常灵活地适应未来需求，诸如氢经济或源自可再生能源的能量生成。

一项特别有吸引力的应用是用于在机动车、加热系统或电站中将(废弃)热量转换成电能。目前利用的热能甚至可以通过热电发电机至少部分回收，但是现有技术的效率远低于10％，因此相当一部分能量仍然未得到利用。因此在废弃热量的利用中还存在获得更高效率的驱动力。

直接将太阳能转换成电能也是非常有吸引力的。诸如抛物线形凹部这样的集中器可以将太阳能集中到产生电能的热电发电机中。

然而，在用作热泵时还需要更高的效率。

热电活性材料基本根据其效率被评估。热电材料在这个方面上的特性被称作Z因子(品质因数)：

Z=S2·σκ]]>

其中S为塞贝克系数，σ为电导率，κ为热导率。优选热导率非常低、电导率非常高、塞贝克系数非常大的热电材料，以使品质因数获得最大值。

乘积S²·σ被称作功率因子，且用于热电材料的比较。

此外，常常还报告无量纲的乘积Z·T以用于比较目的。目前已知的热电材料在最佳温度下具有约为1的最大Z·T值。在超出该最佳温度的情况下，Z·T值通常明显小于1。

更为精确的分析表明可以依据以下公式计算效率(同时参见Mat.Sci.and Eng.B29(1995)228)：

其中，

因此，旨在提供一种具有最大Z值和高的可实现温差的热电材料。从固体物理学角度来看，还有很多问题需要克服：