热电填充式方钴矿器件的稳定电极/扩散阻挡层的制造制造技术

公开了用于制造电接触部的n型和p型填充式方钴矿热电臂的方法。对CoSi2的第一材料和掺杂剂进行球磨以形成第一粉末，对所述第一粉末与n型方钴矿的第二粉末进行热机械加工以形成设置在掺杂的CoSi2的第一层与第三层之间的n型方钴矿层。此外，对于诸如钴或铬中的至少一种、铁和镍的多个组分进行球磨以形成第一粉末，对所述第一粉末与p型方钴矿层进行热机械加工以形成设置在该第一粉末的第一层与第三层之间的p型方钴矿层“第二层”。在热压之后，第一层与n型方钴矿和p型方钴矿层两者的方钴矿层之间的比接触电阻小于约10.0μΩ·cm2。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】相关申请的交叉引用本申请要求于2013年6月20日提交的题为“热电填充式方钴矿器件的稳定电极/扩散阻挡层的制造(Fabrication of Stable Electrode/Diffusion Barrier Layers for Thermoelectric Filled Skutterudite Devices)”的美国临时申请第61/837,545号的优先权，其全部内容通过引用并入本文。关于联邦资助研究或开发的声明这项工作是在美国能源部的资助下进行的，基金号DE-EE0005806。背景
本公开内容一般性涉及方钴矿热电材料。更具体地，本公开内容涉及可以用作热电臂(thermoelectric leg)中的扩散阻挡层和电接触部的材料。
技术介绍
由于热电能量转换器件没有移动部件、可具有高功率密度、尺寸上可扩展并且潜在地高度可靠，因此热电能量转换器件具有吸引力。这些器件可以用于通过例如从车辆尾气回收废热来提高现有装置和系统的整体效率，并且开发新型系统，例如太阳能热电能量转换器。
技术实现思路
在一个实施方案中，提供了一种制造热电元件的方法，该方法包括：热机械加工第一材料与第二粉末以形成热电元件，其中在热机械加工之前对第一材料进行球磨以形成经球磨的第一粉末，其中经球磨的第一粉末包含CoSi2和掺杂剂，其中第二粉末包含n型填充式方钴矿，并且其中在热机械加工之前将第二粉末布置成与经球磨的第一粉末的第一层和经球磨的第一粉末的第二层接触；其中，在热机械加工之后，经球磨的第一粉末的第一层与第二粉末之间的比接触电阻小于约10.0μΩ·cm2，并且其中经球磨的第一粉末的第二层与第二粉末之间的比接触电阻小于约10.0μΩ·cm2。在替代实施方案中，提供了一种制造热电元件的方法，该方法包括：热机械加工经球磨的第一粉末和第二粉末，其中经球磨的第一粉末包含铁(Fe)、铬(Cr)、钴(Co)和镍(Ni)中的至少两种，并且其中在热机械加工之前将第二粉末布置在经球磨的第一粉末的第一层与经球磨的第一粉末的第二层之间；并且其中，在热机械加工之后，经球磨的第一粉末的第一层与第二粉末之间的比接触电阻小于约10.0μΩ·cm2，并且其中经球磨的第一粉末的第二层与第二粉末之间的比接触电阻小于约10.0μΩ·cm2。本文所述的示例性实施方案包括旨在解决与某些现有器件、组合物、系统和方法相关联的各种缺点的特征和特性的组合。通过阅读下面的详细描述并且参考附图，上述各种特征和特性、以及其他特征和特性对本领域的普通技术人员将是明显的。应当理解的是，所公开的概念和具体的示例性实施方案可以容易地用作修改或设计用于实施与本文所公开的实施方案相同目的的其他组合物、结构、系统和/或方法的基础。还应当理解的是，这种等效构造未脱离如在所附权利要求中所阐述的本专利技术的精神和范围。附图说明现将参照附图对本专利技术所公开的示例性实施方案进行详细描述，在附图中：图1A至图1C示出了与未掺杂的样品相比，掺杂的CoSi2样品中响应于温度升高的热导率、电阻率和塞贝克系数。图1D示出了根据本公开内容的某些实施方案的沿着n型热电填充式方钴矿臂的电阻扫描的结果。图2A至图2B示出了根据本公开内容的某些实施方案的在不同温度下热压的CoSi2、Co2Si和掺杂Ni的CoSi2的热导率和电阻率的比较。图3A至图3C示出了温度升高对用于根据本公开内容的某些实施方案制造的多合金组合物的不同阻挡材料的热导率、电阻率和塞贝克系数的影响。图4A至图4E示出了不同组成的合金与p型填充式方钴矿之间的接触电阻。图5是根据本公开内容的某些实施方案的热电臂的等距视图的图示。图6是根据本公开内容的某些实施方案的制造电接触部的方法的实施方案的流程图。图7是根据本公开内容的某些实施方案的制造电接触部的方法的实施方案的流程图。图8是示出根据本公开内容的某些实施方案的热电模块的示意图。图9A和图9B示出了根据本公开内容的某些实施方案的在热循环试验之前和之后的p型填充式方钴矿的接触电阻。图10A和图10B是使用SEM拍摄的根据本公开内容的某些实施方案制造的TE材料与接触层之间的界面的图片。具体实施方式下面的讨论涉及各种示例性实施方案。然而，本领域的普通技术人员将理解，本文所公开的实施例具有广泛的应用，并且任何实施方案的讨论仅意味着该实施方案的示例，而无意于暗示包括权利要求的公开内容的范围受限于该实施方案。附图不一定按比例绘制。为了清楚简明起见，本文中的某些特征和元件可以按比例放大，或者在一定程度上示意性示出，并且可以不示出常规元件的一些细节。在下面的讨论和权利要求中，术语“包括”和“包含”以开放式的方式使用，因而应当被解释为意指“包括，但不限于...”。据估计，社会/工业中输入的总能量的仅40％被转换成有用能量，并且剩余的能量可能会以废热的形式损失。回收此废热并将其转换成电力可以减少化石燃料的消耗，并且因此有益于环境。热电(TE)发电器件可能对于废热回收来说是有吸引力的，这是因为这些器件可以在没有移动部件的情况下进行操作，可具有高功率密度，并且在适当的制造和封装(运输和储存寿命)技术和材料的条件下可以高度可靠。在一些情况下，那些TE器件还可以用于将太阳能转换成电力。通常，热电臂是通过将温差转换成电力的热电发电模块(“热电模块”)的一部分。热从热电冷却系统的一侧抽取到另一侧，这些侧可以被称为处于比环境温度高的温度下的“热”侧，和可处于大约环境温度下并且可以附接至散热器的“冷”侧。如图8中所述，多个热电臂可以利用如图8中所讨论的接触层而设置在热电模块中、在热电模块的热侧(图8中的818)与热电模块的也可以处于约环境温度下并且可以被描述为散热器的冷侧(图8中的814)之间。将热电臂用于电接触部可能具有挑战性，这是因为热电臂在电流的流动方向上通常具有高导电性和小长度。因此，臂本身的总电阻小。这可能意味着期望电极与热电材料之间的电接触电阻(“比接触电阻”)非常小。此外，当设计和制造电接触部时可以考虑热应力、寄生热阻和化学稳定性。本文所讨论的是用于与n型填充式方钴矿和p型填充式方钴矿一起使用的接触材料的制造和使用的某些实施方案，使得根据在给定的应用中所使用的方钴矿的类型，接触材料具有与n型填充式方钴矿或p型填充式方钴矿的功函数相容和/或基本上相似的功函数。此外，如本文所使用的，在第一材料和第二材料可以耦合并且暴露于该耦合材料在器件或元件中将暴露的操作范围内的温度下的情况下，第一功函数“接近于”第二功函数或“基本上类似于”第二功函数。这也可以被描述为两种材料是相容的，或者每种材料的的性能例如功函数是相容的，其中应当理解的是，相容性描述了材料的将被组装并且一起执行预期装置或应用中的预定目的的能力。在一些实施方案中，这可能意味着各个功函数或者表示或对应于接触材料和TE臂材料的功函数的值彼此相差约15％以内，在替代实施方案中，这可能意味着它们彼此相差约10％以内，在其他实施方案中它们可以彼此相异小于1％至约20％之间的任意处。热电性能与温度相关，并且可以从可以用于从器件或其他源吸热的电接触元件的热侧到冷侧显著变化(即，随着跨越接触部的温度变化而变化)。这可能对于热侧和冷侧的温差可以跨越几百度的发电应用尤其如此。此外，非理想本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制造热电元件的方法，所述方法包括：热机械加工第一材料与第二粉末以形成热电元件，其中在热机械加工之前对所述第一材料进行球磨以形成经球磨的第一粉末，其中所述经球磨的第一粉末包含CoSi2和掺杂剂，其中所述第二粉末包含n型填充式方钴矿，其中在热机械加工之前将所述第二粉末设置成与所述经球磨的第一粉末的第一层和所述经球磨的第一粉末的第二层接触；其中，在所述热机械加工之后，所述经球磨的第一粉末的所述第一层与所述第二粉末之间的比接触电阻小于约10.0μΩ·cm2，其中所述经球磨的第一粉末的所述第二层与所述第二粉末之间的比接触电阻小于约10.0μΩ·cm2。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2013.06.20 US 61/837,5451.一种制造热电元件的方法，所述方法包括：热机械加工第一材料与第二粉末以形成热电元件，其中在热机械加工之前对所述第一材料进行球磨以形成经球磨的第一粉末，其中所述经球磨的第一粉末包含CoSi2和掺杂剂，其中所述第二粉末包含n型填充式方钴矿，其中在热机械加工之前将所述第二粉末设置成与所述经球磨的第一粉末的第一层和所述经球磨的第一粉末的第二层接触；其中，在所述热机械加工之后，所述经球磨的第一粉末的所述第一层与所述第二粉末之间的比接触电阻小于约10.0μΩ·cm2，其中所述经球磨的第一粉末的所述第二层与所述第二粉末之间的比接触电阻小于约10.0μΩ·cm2。2.根据权利要求1所述的方法，其中所述掺杂剂占所述第一材料的约0.2wt％至约5.0wt％。3.根据权利要求2所述的方法，其中所述掺杂剂为镍(Ni)、钴(Co)、铁(Fe)和硼(B)或其组合和合金中的至少之一。4.根据权利要求1所述的方法，还包括在球磨之前对所述第一材料退火至少两小时。5.根据权利要求4所述的方法，还包括在约800℃至约1200℃之间的温度下对所述第一材料均质化约1小时至约7天。6.根据权利要求1所述的方法，其中对所述经球磨的第一粉末的所述第一层、所述经球磨的第一粉末的所述第二层和所述第二粉末进行热机械加工包括使用热压。7.根据权利要求6所述的方法，还包括在约600℃至约900℃之间的温度下对所述经球磨的第一粉末和所述第二粉末进行热压。8.根据权利要求8所述的方法，还包括对所述经球磨的第一粉末和所述第二粉末进行热压至少约3分钟。9.根据权利要求1所述的方法，其中所述经球磨的第一粉末的所述第一层与所述第二粉末之间的比接触电阻为约0.2μΩ·cm2至约1μΩ·cm2。10.根据权利要求1所述的方法，其中所述经球磨的第一粉末的所述第一层与所述第二粉末之间的比接触电阻为约0.3μΩ·cm2至约0.8μΩ·cm2。11.根据权利要求1所述的方法，其中所述经球磨的第一粉末的功函数基本上...

【专利技术属性】
技术研发人员：节清，任志锋，陈刚，
申请(专利权)人：休斯敦大学体系，麻省理工学院，
类型：发明
国别省市：美国;US