[发明专利]纳米复合热电转换材料、其制备方法以及热电转换元件

说明书

发明背景

1.发明领域

本发明涉及一种纳米复合热电转换材料，其制备方法以及包含该纳米复合热电转换材料的热电转换元件。更具体地，本发明涉及一种纳米复合热电转换材料，其具有大的功率因数，本发明还涉及制备该纳米复合热电转换材料的方法，和包含该纳米复合热电转换材料的热电转换元件。

2.相关技术描述

考虑到全球变暖的问题，为了减少二氧化碳排放量，对减少从化石燃料获取的能源比例的技术的兴趣日益增加。可以直接将未使用的废热能转换为电能的热电材料是这些技术中的一种。热电材料是能够直接将热转换为电能的材料，使得不需要像热电站中的两阶段过程，在该两阶段过程中，热暂时转化为动能，该动能被转换成电能。

从热到电能的转换通常通过利用由热电材料形成的块体（bulk body）的两端之间的温度差来进行。由该温度差产生电压的现象被称为塞贝克效应，因为它是由塞贝克发现的。热电材料的该性质由如以下公式定义的性能指数Z表示。

Z=α²σ/κ(=Pf/κ)

这里，α是热电材料的塞贝克系数，σ是热电材料的电导率（电导率的倒数称为电阻率），κ是热电材料的热导率。功率因数Pf概括了α²σ项。Z具有温度的倒数的量纲，且因此由绝对温度T乘以性能指数Z获得的ZT是一个无量纲值。该ZT称为无量纲性能指数，并用作指示热电材料性能的参数。为了使热电材料进入广泛使用，该性能且特别是在低温下的性能必须经过更多的改善。正如从上面提供的公式所清楚的，热电材料性能上的改善需要更低的热导率κ和更高的功率因数，而这是通过更高的塞贝克系数α和更高的电导率σ（更小的电阻率）而实现的。然而，很难同时改善所有这些因素，以提供甚至在低的温度下也能进行转化为电能的热电材料为目的，已多次试图改善这些热电材料因素之一。

例如，日本专利申请公开第2004-335796号（JP-A-2004-335796)描述了一种按如下制备的热电半导体材料：将包括具有规定的热电半导体化合物组成的起始合金的板状热电半导体材料堆叠并填充为大约层状，并且固化和成型为成型体，对该成型体从垂直于或大约垂直于热电半导体材料的主堆叠方向的单轴方向进行压制，以便进行塑性变形，使得在大约平行于热电半导体材料的主堆叠方向的单轴方向施加剪切力。具体叙述了用热电半导体材料可以降低热导率，为此，通过使用(Bi-Sb)₂Te₃系统的组成作为热电半导体化合物的化学计量组成，并对该化学计量组成添加过剩的Te，来制成起始成型体。然而，JP-A-2004-335796没有描述纳米复合热电转换材料。

根据上文所述的相关现有技术，即使热电半导体材料的热导率能够降低，也难以获得大的功率因数，且性能指数上的改善不是令人满意的。为了实现热电转换材料性能上的进一步改善，本发明人已对涉及分散剂的纳米颗粒分散在热电材料母相中的纳米复合热电转换材料的发明提出了专利申请（日本专利申请第2009-285380号)。该纳米复合热电转换材料能使热导率显著降低，但不改变塞贝克系数α，因此需要性能指数的进一步改善。

发明内容

鉴于以上所述的问题，本发明通过相比非取向纳米复合物，改善塞贝克系数α，提供了一种纳米复合热电转换材料，其甚至在低的温度下也具有提高了的功率因数。本发明还提供了制备该纳米复合热电转换材料的方法，以及包含该纳米复合热电转换材料的热电转换元件。

在本发明的一个方面，提供一种纳米复合热电转换材料，其中，热电材料母相的晶粒堆叠为层状并取向，垂直于该取向方向的晶粒宽度为至少5nm至小于20nm的范围，且在晶粒边界分散地存在绝缘性纳米颗粒。

在本发明的另一个方面，提供一种纳米复合热电转换材料的制备方法，该方法包括：通过对具有分散在热电材料母相中的绝缘性纳米颗粒、并加热至高于或等于热电材料软化点的温度的材料以至少1℃/分钟至小于20℃/分钟的冷却速率在压缩下进行冷却，使热电材料母相的晶粒取向。

根据本发明的另一个方面，提供通过上述方法获得的纳米复合热电转换材料。根据另一个方面，本发明提供一种包含上述纳米复合热电转换材料的热电转换元件。

在本发明中，绝缘性纳米颗粒意味着具有不大于100nm，例如不大于50nm且尤其为0.1至10nm范围的粒径的绝缘性微粒。垂直于取向方向的晶粒的宽度在本发明中是指通过如下面实施例部分中所述的方法确定的任何随机选择的热电材料母相的晶粒的宽度。此外，本发明中的取向方向是平行于纳米复合热电转换材料中的电子传导方向的方向。