[发明专利]热电元件(变体)

说明书

本发明涉及用于热电电池中将热能直接转换成电能的热电元件的制备。本发明旨在实现提高热电元件效率的技术效果。本发明的热电元件由串联连接在电路中的p型支脚和n型支脚组成，p型支脚基于由Bi₂Te₃‑Sb₂Te的固溶液制成的多晶织构半导体材料。本发明的第一变体中，为提高T＞100的工作温度范围内的热电效率，热流在p型支脚中沿结晶轴C从热端引导到冷端。为提高T＞100的工作温度范围内的热电效率，热流在p型支脚中沿结晶轴C从热端引导到冷端。本发明的第二变体中，为提高热电效率，p型支脚由相互电接触和热接触的两部分组成，其中第一部分中的热流从垂直C轴的热元件的低温侧引导，第二部分中的热流沿C轴从高温侧引导。

发明领域

本发明涉及一种使用热电元件和通过温度差而实现将热量直接转换成电能的发电的热电发电装置。

背景技术

热电发电技术中的高度优先的问题是提高热电装置的热电效率。这是通过在较宽的工作温度范围(50℃至350℃)中提高热电材料的热电效率来实现的，这由材料的品质因数(figure-of-merit)或所谓的Z参数表示，其定义为：

其中，α为塞贝克(Seebeck)系数，σ为电导率，κ为热电材料的热导率。

热电元件由两个支脚组成，这两个支脚由p型和n型半导体材料制成(分别为p型和n型支脚)，两个支脚连接以形成串联电路。当前认为铋和碲化铋Bi₂Te₃和Sb₂Te₃的三元固溶体(合金)是50℃至350℃的温度范围内工作的p型支脚的最有效半导体材料。室温(300K)时Z参数的最大值达到3×10^-3К^-1(其中К是以开氏温度计的绝对温度)。应该注意的是，由于晶体结构的特征，铋和碲化锑属于具有各向异性特性的半导体类别。它在与结晶轴С(0001)平行或垂直的方向上引起电导率σ和热导率κ的各向异性。同时，当半导体的电导率基于单一类型的电荷载流子时(n型材料中的电子或p型材料中的空穴界定)，塞贝克系数α在半导体中仍是各向同性，其浓度由n型供体或p-型受体分别控制(参见：B.M.Goltsman,V.A.Kudinov,I.A.Smirnov.基于Bi₂Te₃的半导体热电材料(Bi₂Te₃ based semiconductorthermoelectric materials.莫斯科,瑙卡(Nauka)，1972年，第271-275页)

然而，Z参数对温度的强烈依赖性是这种材料的局限性。Z值随温度的升高而急剧下降是由少数电荷载流子(即p型材料中的电子)的热生成引起的，导致出现与大多数电荷载流子提供的塞贝克系数相反符号的塞贝克系数分量。在这种情况下，塞贝克系数由以下公式描述：

其中，n和p分别指电子和空穴定义的参数。

日本专利第2326466号(2008年6月10日公开)中公开了与本发明最接近的现有技术方案，该专利描述了具有过量Te的混合物(Bi-Sb)₂Te₃的制备，混合物的熔化和融化后的固化。然后，形成的铸锭经历塑性变形。热电元件由p型和n型材料制成的两个支脚构成，并通过金属垫连接。上面提到的用于制造p型支脚的基于(Bi-Sb)₂Te₃的材料结晶为六边形结构，具有电学和热学性能的各向异性。该专利的发明人指出，在研究温度最高100℃的情况下，与热通量方向平行于С轴的情况相比，当热通量方向横向于С轴时，可获得更高的热电效率。

发明内容

本发明的第一变体的目的是在固有传导开始时提高热电元件的热电效率，通常在从支脚的冷端的100℃开始的工作温度范围内。