[发明专利]热电装置和制品及其应用

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求享有2013年3月14日提交的美国临时专利申请序列号No.61/783,709和2013年4月4日提交的美国临时专利申请序列号No.61/808,472依据35U.S.C.§119(e)的优先权，其全部内容通过引用结合于本文中。

技术领域

本发明涉及热电材料并，具体而言，涉及装置、制品、和引入热电材料的织物。

背景技术

热能广泛应用于发电。然而，通过现有方法将热能转换成电能的效率却较低，范围为约30％～40％。因此，显著大量的热能作为废物逃逸到环境中。据估计，年度全球生产的电力约15太瓦的能量损失至环境中。

热电材料能够操作用于捕获热量而另外增加电力生产。热电效率通过优值系数(FigureofMerit)、ZT量化。

表现出较高的ZT值的热电材料具有较高的热电效率。制作具有合理ZT值的热电材料往往是很困难的和/或昂贵的。铋的硫族元素化合物，例如，能够提供具有范围为0.7～1的ZT值的卓越热电性能。这些材料能够进行纳米结构化而产生交替Bi₂Te₃和Bi₂Se₃层的超晶格结构，导致产生具有可接受电导率和较差导热性的材料。这些材料的制作，不过，可能是费时和昂贵的。

此外，由于制作要求和其他材料容差，许多热电材料并不会使其自身轻易并入广泛的各类器件中进行集热发电。

发明内容

在一个方面中，本文描述了一种热电装置，其在一些实施方式中能够克服或减轻一个或多个当前热电材料的缺点。在一些实施方式中，本文中描述的热电装置包括至少一个偶联至至少一个n-型层而提供pn结的p-型层，和至少部分设置于p-型层和n-型层之间的绝缘层，p-型层包括碳纳米颗粒而n-型层包括n-掺杂碳纳米颗粒。p-型层的碳纳米颗粒能够是p-掺杂的。p-型层的纳米颗粒和/或n-型层的纳米颗粒能够设置于包括电极化聚合物的聚合物基质中。另外，绝缘层能够包括表现出压电行为的电极化聚合物或电极化颗粒，如钛酸钡(BaTiO₃)颗粒，碲化铋颗粒(BiTe)，其它无机颗粒或其混合物。

本文中所述装置的电极化聚合物和/或压电颗粒能够包括非随机取向的电偶极和/或电偶极域。而且，电极化聚合物和/或颗粒也能够表现出平行或基本平行于热电装置中电流流动的轴线取向的电偶极场以及表现出压电/热电行为。本文中描述的电极化组分的压电和/或热电性质(piezoelectric/pyroelectricproperties)能够容许热电装置掺入这种组分而提供除了由暴露于热梯度所产生的电输出之外还由于机械变形所产生的电输出。

在一些实施方式中，本文中描述的热电装置包含偶联至多个n-型层而提供多个pn结的多个p-型层，和至少部分设置于p-型层和n-型层之间的绝缘层，其中至少一个p-型层包含碳纳米颗粒而至少一个n-型层包含n-掺杂碳纳米颗粒。热电装置的p-型层、n-型层和/或绝缘层能够包含电极化聚合物。另外，p-型层和n-型层能够设置成堆叠构造，绝缘层处于这二者之间。

正如本文中进一步所述，pn结能够形成于p-型层和n-型层的界面上。在一些实施方式中，界面过渡区存在于通过p-型层接触n-型层而形成的pn结上。界面过渡区包含混有n-型层的纳米颗粒的p-型层的纳米颗粒。p-型和n-型层的纳米颗粒的混合能够提供异质结构的pn结。另外，金属中间层能够设置于pn结的p-型层和n-型层之间。另外，本文中描述的装置的pn结能够起到与本文中描述的电极化的聚合物基质的压电和/或热电行为相关的电压输出的整流器(rectifier)作用。

在本文中描述的热电装置的一些实施方式中，包含p-掺杂的和n-掺杂的碳纳米管的碳纳米颗粒能够用一种或多种无机半导体纳米颗粒代替。在一些实施方式中，无机半导体纳米颗粒包括IV族材料，II/VI族材料或III/V族材料或其组合。在一些实施方式中，无机半导体纳米颗粒包括量子点(quantumdot)和/或纳米线(nanowire)。在一些实施方式中，无机半导体纳米颗粒具有与任何本文中描述的碳纳米颗粒一致的尺寸。