[发明专利]在热电发电机中使用的半赫斯勒化合物

说明书

一种热电发电机包括热侧热交换器，冷侧热交换器，配置在热侧热交换器和冷侧热交换器之间的多个n‑型半导体支脚以及配置在热侧热交换器和冷侧热交换器之间并与所述多个n‑型半导体支脚交替电串联的多个p‑型半导体支脚。所述多个n‑型半导体支脚和多个p‑型半导体支脚中的至少一个由具有半赫斯勒结构并且包含摩尔分数为x Sn和1‑x Si的Si和Sn的合金形成，并且x小于1。

本发明在能源部的能效和可再生能源办公室授予的DE-EE0004840的政府资助下完成。政府对本发明享有一定的权利。

技术领域

本公开整体上涉及分子化合物，并且更具体地涉及用于热电发电机的分子化合物。

背景技术

机动车辆的燃料效率可以通过将热电发电机集成在车辆的加热区域中来提高。根据塞贝克效应的原理，热电发电机将内燃机的废热转化为电能。由于过多的热量存在于车辆中的许多位置，特别是在排气系统中，在排气中使用热电发电机将通常会浪费的热能转化成有用的电能。

传统的热电发电机包括由多个半导体模块分开的热侧热交换器和冷侧热交换器。在典型的热电发电机中，n-型半导体和p-型半导体电串联连接，使得n-型和p-型半导体沿着电路交替。通常，p-型和n-型半导体配置在热侧热交换器和冷侧热交换器之间，从而热学上彼此平行。

当热量通过热电发电机时，发电机内的半导体的电荷载体从热侧热交换器扩散到冷侧交换器。电荷载体的聚集导致净电荷，产生静电势，而热传递通过串联连接的半导体元件驱动电流。这种电能的产生被称为塞贝克效应。

在车辆排气系统中，温度可以达到700℃（〜1300℉）或更高，并且在热侧的排气和冷侧的冷却剂之间所产生的温差因此是几百度。具有热电发电机的车辆排气采用塞贝克原理将排气系统中的温差通过热电发电机的p-型和n-型半导体转换为势差。所产生的电能可以用于为车辆中的电气组件供能，为车辆中的电池充电，或者在混合动力车辆中为车辆传动系统供能。

给定半导体材料的热-电转换效率通过被称为品质因数（ZT）的无量纲参数量化，其根据以下公式计算：

ZT = σS²T/(κ_el + κ_lat)，

其中σ是电导率，S是塞贝克系数，T是温度，κ_el 是电子热导率，且κ_lat 是晶格热导率。

具有更高品质因数的材料导致在热侧和冷侧热交换器之间的给定温差下产生更多的能量。这样，为了提高热电发电机的效率和发电量，希望热电发电机的半导体元件由具有高品质因数的材料形成。

发明内容

在一个实施方案中，热电发电机包括热侧热交换器，冷侧热交换器，配置在热侧热交换器和冷侧热交换器之间的多个n-型半导体支脚，以及配置在热侧热交换器和冷侧热交换器之间并且与所述多个n-型半导体支脚交替电串联的多个p-型半导体支脚。所述多个n-型半导体支脚和多个p-型半导体支脚中的至少一个由具有半赫斯勒结构并且包含摩尔分数为x Sn和1-x Si的Si和Sn的合金形成，其中x小于1。

在一个实施方案中，所述合金包含NbCoSi_1-xSn_x且x大于0.27。

在另一个实施方案中，所述合金包含TaCoSi_1-xSn_x 且x大于0.21。

在另一个实施方案中，所述合金包含TiNiSi_1-xSn_x且x大于0.36。