[发明专利]纳米结构多孔热电发生器

说明书

相关申请的交叉参考

本申请要求2014年9月5日提交的美国临时专利申请号62/046,434的权益，其经此引用全文并入本文。

关于联邦资助的研究或开发的声明

不适用

发明背景

1.技术领域

本总体发明构思涉及热电材料的制备与使用，更特别涉及制造掺杂型热电发生器、尤其是掺杂型硅基热电发生器的方法与工艺。

2.现有技术描述

在存在温度梯度的情况下表现出塞贝克(Seebeck)和珀尔帖(Peltier)效应的半导体材料可用于由废热发电。由一侧向另一侧移动热并同时呈现由一侧向另一侧的电荷的半导体材料可用于冷却并以珀尔帖现象的形式表现出塞贝克效应。表现出塞贝克和珀尔帖效应的半导体材料的类别在下文中被称为热电体或热电材料。

许多当前的热电体包含通过金属连接器连接的交替的P型和N型半导体元件。许多目前的热电体存在各种缺点，在一些情况下包括高材料成本、高生产成本、制造困难、使用稀有元素、使用潜在致癌或有毒物质以及有限的可成形性。

为了实现高转化水平，需要高热电品质因数(ZT)和高工作温度。

材料的塞贝克系数(S)是响应跨越材料的温差的感应热电电压大小的量度。任选地，高效热电材料应具有高塞贝克系数、高导电性和低导热性，并能够在高温下运行，意味着其应当具有低热膨胀系数。参见例如Ci等人,Material Letters 65,1618-1620(2011)。还出现了其它考虑因素。例如为了保持由一侧到另一侧的高的温差，低热膨胀系数、低泊松比和高强度是期望的。期望的是热电材料易于被加工以构造平面和复杂的网状物体，其可以装配至它们可用于回收废热的位置。此类热电材料应当具有性质在于保持相对两侧之间足够高的温度差的横截面，以便有效地产生电压。同样期望的是，热电材料具有高拉伸强度，具有耐热冲击性，并且可成型为层以便允许产生电、热或其它参数的渐变指标——使得一种热电材料可以充当一系列热电装置的基础。

热电材料(TEMat)的热电品质因数ZT是其效率的量度。通过电导率(s)乘以塞贝克系数(S)的平方并除以导热性(k)或Z＝S2σ/k来计算Z，通过Z乘以绝对温度(以开尔文为单位)来计算ZT。为了实现高功率因数，因此期望拥有具有低导热性、高导电性、高塞贝克系数并具有高温运行能力(即跨越其结构的可持续温差或DT能力)的TEMat。

但是潜在地利用TEMat's ZT超出了材料科学。成功的利用需要结合脆性材料工程实践，因为TEMats作为材料类别是非常脆的(即低断裂韧性)。利用TEMat的高温能力及其ZT的前提条件是其必须能够在使用中机械地承受大的DT。这又导致需要该TEMat具有最小热膨胀系数(CTE)和最大拉伸强度(STen)。最后，从尺寸的角度来看，更大的TEMat组件或“结构(leg)”将提高实现更大DΤ的能力(假定其不会机械失效)；这对实现低温也是一个重要的问题。

现有技术几乎无望制造能够以高独立DT和吸引人的功率因数在高温下运行的低成本的厚结构。制造热电发生器(TEGs)的传统方法与新方法均存在基本的和看似棘手的挑战的缺点，如高成本、高CTE、限于薄平面结构、低S、低导电性、低机械强度或使用稀有和昂贵的材料，或其组合。许多这些相同的问题限制了用热电冷却器(TECs)实现更低温度的能力。

此外，热电材料作为材料类别是非常脆的。因此，还期望能够制造具有降低的脆性的热电材料。

用于制造热电装置的理想途径将包括获得纳米尺寸的等轴硅晶粒的方法，所述硅晶粒可以成型为稳固的大的形状，其具有大的横截面和纳米结构化的形貌，由此实现或促进低CTE、低k值、非常高的s值，获得高S值和高工作温度能力。

近来在该领域的许多努力和发展集中于纳米线和MEMS，其已经宣告证实了异常高的功率因数，并在将废热转化为电能方面具有高效率。不幸的是，这些结构是昂贵的，并且实际上不能以保持大的独立或在很大程度上独立的ΔΤ所需的厚横截面制得。报道的许多结果使用积极的热交换设备以保持高ΔΤ。在许多或大多数情况下，也需要这些积极的热交换设备来限制该ΔΤ以避免该热电材料的灾难性的热机械故障。

一些热电发生器使用化合物和元素如碲或稀土金属——其中许多是稀少的，仅来自很少的地方。对于在北美活动的经营者来说，许多此类材料必须进口(例如大部分稀土金属目前由中国进口)。期望的是具有不需要的碲、稀土金属和类似的稀有组分材料的热电材料。