[发明专利]热电元件

说明书

技术领域

本发明涉及一种热电元件。

背景技术

热电元件的工作方式以热电效应为基础：

通过热电效应(其也被称为塞贝克(Seebeck)效应)，在电导体或半导体的具有不同温度的两点之间会产生电压。塞贝克效应描述了温度与电之间可逆的相互作用。塞贝克电压通过如下来确定：

U_Seebeck＝α×δT

其中，

δT-热侧与冷测之间的温差

α-塞贝克系数或塞贝克热电动势

塞贝克系数具有电压每温差(V/K)的量纲。塞贝克系数的大小对塞贝克电压的高度起着决定性作用。

热电元件优选由不同掺杂的半导体材料组成，由此，相对于由金属制成的热电偶可以显著提高效率。通常的半导体材料有Bi2Te3、PbTe、Bi2Se3、SiGe、BiSb或FeSi2。

塞贝克效应描述了电压的产生，而帕尔帖效应仅通过外部的电流的流动产生。当两个具有不同的电子热容量的导体或半导体发生接触并且电子通过电流从一个导体/半导体流向另一个时，出现帕尔帖效应。利用合适的材料，尤其是半导体材料实现的是，利用电流产生温差或相反地由温差产生电流。

为了获得足够高的电压，多个热电元件组合成热电模块并且串联地电联接，必要时也并联地电联接。

图1中示出的热电帕尔帖模块由多个串联联接的热电元件组成。热电元件(1)分别由p掺杂和n掺杂的半导体材料制成的小长方体(2a、2b)组成，这些小长方体上下交替地配设有金属桥(3a、3b)。金属桥(3a、3b)形成了热电元件(1)在热电模块的热侧或冷侧(4、5)上的热和电接触部并且至少布置在两个彼此间隔地布置的陶瓷板(6a、6b)之间。不同掺杂的长方体(2a、2b)通过金属桥(3a、3b)以如下方式彼此连接，即，得到它们的串联电路。

只要向长方体(2a、2b)输送电流，那么依赖于电流强度和电流方向地，长方体(2a、2b)在一侧(4、5)上的连接部位变冷，而在对置侧(4、5)上的连接部位变暖。因此，施加的电流产生了陶瓷板(6a、6b)之间的温差。然而，如果在对置的陶瓷板(6a、6b)上施加不同的温度，那么依赖于温差地将引起模块的各个热电元件(1)的长方体(2a、2b)中的电流。

长方体(2a、2b)的与陶瓷板(6a、6b)垂直的边长(7)为约3mm至5mm。大的边长(7)引起冷侧和热侧(4、5)之间高的热阻，从而相对于图2中示出的具有较小的长方体(2a、2b)边长(7)而相同的长方体(2a、2b)横截面的帕尔帖模块，塞贝克电压和模块的功率则更大。然而，具有较大边长(7)的长方体(2a、2b)需要更多半导体材料。

目前，通常的、上文提到的热电材料的转换效率在低于5％的范围内。这意味着，热流必须达到需要的电功率的20倍以上。由于通常的、上文提到的热电材料的热导率在1W/mK-5W/mK的范围内，因此长方体的热接触部的热导率必须显著地在20W/mK-100W/mK之上。

在长方体(2a、2b)的相同的横截面的情况下，长方体中的热流随着增大的边长(7)而减小。因此，能得到的热阻仅依赖于热导率和长方体(2a、2b)的边长(7)。因此，较困难地向如图2中所示的热电元件供应热量。

发明内容

从现有技术出发，本发明的任务在于，提供一种具有高的热阻的热电元件，其相对于具有相似功率的传统的热电元件而言需要较少的半导体材料。此外，还应说明一种用于制造这种热电元件的方法。

具体而言，该任务通过如下的热电元件来解决，其包括具有基底正面和与基底正面对置的基底背面的基底、作为层施布到基底正面上的第一接触部、作为层施布到基底正面上的第二接触部、第一与第二接触部之间的将第一与第二接触部彼此电分隔和热分隔的中断部以及具有通过侧向界定面彼此连接的上侧和下侧的热电作用层，其中，热电作用层以如下方式布置在中断部中，即，下侧平放在基底正面上，并且其中一个侧向界定面贴靠第一接触部以及其中一个侧向界定面贴靠第二接触部。

根据本发明的热电元件的优点在于，虽然热电作用材料实施为层，尤其是实施为薄层，但是在考虑技术限制的情况下，能自由选择第一与第二接触部之间的间距并因此能自由选择热阻。尽管具有高的热阻，热电元件的空间需求却特别小，因为不仅将电和热接触部而且将热电作用材料作为层在一个平面中施布在基底表面上。此外，尽管具有能与根据图1的传统的热电元件相同的热阻，但是显著地需要较少的热电材料用于布置在中断部中的热电作用层。