[发明专利]一种无需电极碲化铋热电器件及其制备方法

说明书

本发明涉及一种无需电极碲化铋热电器件及其制备方法。无需电极碲化铋热电器件，其特征在于：它由陶瓷基板、人造倾斜结构碲化铋热电材料和导线组成，人造倾斜结构碲化铋热电材料的左右两侧面连接导线，人造倾斜结构碲化铋热电材料的上下表面设有陶瓷基板层，人造倾斜结构碲化铋热电材料由p型和n型碲化铋材料交替排列组成，p型和n型碲化铋材料界面与人造倾斜结构碲化铋热电材料底面呈一定的夹角，所述的p型碲化铋材料为Bi_0.5Sb_1.5Te₃，n型碲化铋材料为Bi₂Te_2.7Se_0.3。本发明的无需电极碲化铋热电器件制备工艺简单、器件热稳定性好、加工可控性强。可用于热敏传感器、电敏传感器、热辐射探测器和自供能微型网络节点发电等领域。

技术领域

本发明涉及一种无需电极碲化铋热电器件及其制备方法，特别涉及碲化铋热电材料与器件一体化的制备工艺，属于热电转换新能源材料领域。

背景技术

热电材料是一种利用固体内部载流子运动实现热能与电能直接相互转换的功能材料。随着全球环境污染和能源危机的不断加剧，使得有关热电器件的设计和制备越来越受到重视。由热电材料制成的热电器件具有体积小、寿命长、无污染和无移动部件等优点，在工业余热发电、汽车尾气回收、太阳能热电-光电复合发电和热电制冷等领域有着广阔的应用前景和潜在的经济价值。

传统的热电器件由p和n型半导体热电元件组成，但由于单个pn元件的电压很低，通常需要将大量p型和n型热电元件用金属或合金电极按照导电串联、导热并联的方式进行互联，形成π型结构，从而获得较高的电压，如专利CN1601778、CN104347789、US6083770、CN101447548等。

传统热电器件的制备技术主要存在三个问题：(1)制备工艺非常复杂，因为在π型结构热电器件中为了实现电极与两种热电材料之间的良好接触，同时防止界面相互扩散和最大限度提高界面结合强度，通常需要在电极与热电材料之间设计和制造界面阻挡层、界面过渡层等；(2)热稳定性差，电极、界面阻挡层、界面过渡层和热电材料会由于热膨胀系数不一致，通常会在异质界面出现热应力集中，从而引起界面变形、界面裂纹，甚至界面失效；(3)微型化困难，由于传统π型结构热电器件中电极必不可少，加之p型和n型热电臂之间必须留出空间，因此传统π型结构热电器件的微型化程度受到了极大限制。此外，传统热电器件的温差电压由V＝M×S×ΔT表示，式中M是pn对的个数，S是热电元件的塞贝克系数，ΔT为厚度方向的温差。对于给定的材料而言，M越多，V越高；对于给定pn对数的器件而言，材料越薄，可承受的ΔT越小，V越低。

横向热电效应是利用各向异性材料的塞贝克系数差异，当塞贝克系数张量矩阵非对角元不为零时表现出一种与温度梯度方向垂直的热电效应。本征各向异性热电材料中存在横向热电效应(CN104701336、CN104900670、US9012848等)，也可以通过人为构造倾斜结构获得横向热电效应(US20150325768、US20150280098等)。在由p型和n型热电材料组成的人造倾斜结构热电材料中，p型和n型热电材料直接重叠在一起，不需要电极将p型和n型热电材料桥接在一起，因此易于微型化。其温差电压由V＝ΔS×ΔT×sinθ×cosθ×l/d表示，式中l和d分别是人造倾斜结构热电材料的长度和厚度，θ是叠加面与器件底面的夹角，ΔS＝S_x-S_y是人造倾斜结构热电材料长度方向塞贝克系数S_x和厚度方向塞贝克系数S_y的差值，ΔT为厚度方向的温差。在极小的ΔT下，增加倾斜结构热电材料的长度l，减小倾斜结构热电材料的厚度d，就可以获得较大的温差电压V。

针对传统热电器件存在的问题及人造倾斜结构热电器件电、热输运的特点，本发明提出了一种无需电极碲化铋热电器件及其制备方法。

发明内容