用于将电磁辐射转换成电能的设备及相应工艺制造技术

本发明专利技术描述了一种将电磁辐射转换成电流的设备，该设备包括在传导正电荷载流子的材料的第一元件和传导负电荷载流子的材料的第二元件之间的多个结，所述多个结定义包括热结和冷结的多个热电偶，所述多个热电偶接收由沿着包括热结的区域的方向入射的辐射产生的热流，所述设备包括用于将所述辐射引导朝向所述多个热电偶的装置。根据本发明专利技术，所述传导正电荷载流子的材料的所述第一元件和／或传导负电荷载流子的材料的所述第二元件包括纳米结构的材料，且用于引导所述辐射的所述装置包括多个引导元件，所述多个引导元件将所述辐射引导至热电偶的各个第一元件和第二元件的暴露于所述辐射的面。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及将电磁辐射转换成电能的设备，所述设备包含在传导 正电荷载流子的材料的第一元件和传导负电荷载流子的材料的第二元 件之间的多个结。
技术介绍
在通过热电发生设备产生能量的领域中，已知的是可以利用塞贝克(Seebeck)效应，利用分别传导正电荷栽流子和传导负电荷载流子 的一对不同导体的性能，通过两个金属结在其端部被连接，从而在温 度差施加于这些结时产生电压。塞贝克效应广泛开发用于生产已知为热电偶的温度传感器，但也 应用于热电产生能量，特别是采用具有p型导电和n型导电的半导体 热电偶。图1以框图的形式示出了这种类型的热电偶10的例子，该热电偶 包括n型半导体材料元件11和p型半导体材料元件12，这两个元件基 本上都呈柱状和平行六边形的形状，两个元件在其端部之一通过冷金 属结13连接，该冷金属结覆盖有散热的陶瓷层15。在半导体材料元件 11和12的另一个端部，类似地连接到热金属结14，该热金属结覆盖 有相应的陶瓷层16。如图2更清楚地示出，相对于所产生的电流Ig， 多个热电偶10是根据串联布置相连接，而相对于由冷结温度Tc和热 结温度Th确定的热流FT，该热电偶IO则是并联布置。术语冷结和热结，，从现在开始在所有情形中分别用于表示 最少暴露于热源特别是辐射的结，以及最多暴露于热源的结，这在热 电装置领域中是公知的。热电发生设备的转换效率既取决于冷结的温度Tc和热结的温度 Th，也取决于由用于热电偶的材料确定的品质因素ZT，其与塞贝克系 数的平方以及电导成正比，且与电子热导及光子热导之和成反比。近年来，纳米结构的材料使得可以将品质因素ZT的值从约1增大 到大于3的值，无论是在体型材料内还是在包含超栅格、量子点、纳 米线及其他类型纳米结构的材料内。通常用于这种目的的体(大块的)材料为Bi2Te3/Sb2Te3、 PbTe、 TAGS和Si-Ge。其他也是已知的纳米结构体材料可细分为下述族群 方铦矿、clatrates、络合calcogenides、氧化物、霍斯勒合金、准 晶体、五碲化物(ZrhHf,Te5等)、稀土、 ( Ce3Pt3Sb4等)、过渡金属的 硅化物、碳化硼、ZmSb3、含铊的碲化物、以及Bi-Sb合金。执行将辐射能量特别是太阳能转换成电能的热电系统例如从下述 文章是已知的Journal of Power Sources 115 (2003) 141-148， Solar thermoelectric generator based on skutterudites(基 于方钴矿的太p曰热电发电机)，H.Scherrer， Uikhor, B-Lenoir, A. Dauscher, P. Poinas或者Applied Thermal Engineering 23 (2003) 1407—1415， Electrical performance of skutterudites solar, thermoelectric, generators(方钻矿太阳能、热电、发电机的电 性能)，B.Lenoir， A. Dauscher, P. Poinas, H.Scherrer, LVikhor。除了改善材料之外，这种转换设备的效率无论如何也需要改善。从德国专利申请No. DE10339952已知一种红外温度传感器装 置，其半导体元件p和n串联布置。这种装置包括位于热结上方的辐 射吸收层以产生热。透镜位于该层上方，从而将辐射聚焦到位于热结 和绝缘层上的吸收层，该吸收层将辐射转变为热量。然而这种解决方 案似乎复杂，需要添加在红外区尤其有效的吸收层。本专利技术的目的是提供一种能够制作用于将电磁辐射转换成能量的 设备的解决方案，该设备在传导正电荷载流子的材料的第一元件和传 导负电荷载流子的材料的第二元件之间包括多个结，且具有高于已知 系统的转换效率。
技术实现思路
根据本专利技术，提出了一种用于转换太阳能类型或者其他来源例如 来自热辐射器的电磁辐射的设备，该设备通过热离子、热电和隧穿效 应的总和来工作，从而由p型或n型的材料全部或者尽可能多地吸收 入射电磁辐射谱。在吸收辐射的热结侧上，发生表面的加热，且因此 在结构内产生引发热电和电子热发射的热梯度。直接入射到纳米结构 特别是纳米簇上的辐射反过来引发隧穿电子的发射，该隧穿电子受到 由热梯度引起的电动势的作用在纳米结构内级联流动。具体而言，这 是通过下述方法实现的，即，将热结的面露出以直接接收入射辐射并通过恰当的辐射引导元件将辐射引导至这些露出面上。根据本专利技术，通过具有所附权利要求中具体描述特性的将电磁辐射转换成电能的设备以及相应的转换工艺，实现了对太阳能谱或者一般而言的电磁辐射的几乎完全吸收。 附图说明现在参考附图描述本专利技术，附图作为简单示例而非限制目的，附图中图1示出了根据已知技术的热电发生元件的框图形式； 图2示出了根据已知技术的热电发生设备的框图形式； 图3a示出了根据本专利技术的将电磁辐射转换成电能的设备的框图形式；图3b示出了根据本专利技术的转换设备第一布置的原理图； 图3c示出了根据本专利技术的转换设备第二布置的原理图； 图4a、 4b和4c示出了根据本专利技术转换设备的元件的第一变型； 图5a、 5b和5c示出了根据本专利技术将电磁辐射转换成电能的转换 设备的元件的第二变型；图6a和6b示出了根据本专利技术的将电磁辐射转换成电能的设备的应用；图7a和7b示出了根据本专利技术将电磁辐射转换成电能的设备的另 一变型；图8a和8b示出了根据本专利技术将电磁辐射转换成电能的设备的又 一变型；图9a和9b示出了图8a和8b中的发电设备的细节； 图IO示出了图8a和8b中的发电设备的另一个变型。 具体实施例方式简言之，在与所产生电流串联且优选地与热梯度并联的配置中交 替布置的p型和n型材料元件系统的场中，所提出的转换设备基本上 要求夹置于具有P型和n型导电的元件对之间的装置，其在热侧上能 将可以产生热、热离子发射和隧穿效应的辐射直接引导到热电偶元件 上，由此避免了至该系统部件的不能产生能量的辐射损耗。根据本发 明又一个方面，该热结金属连接制成为将端部暴露于辐射并关联这些 装置以将辐射直接引导至金属连接上。基于热离子发射的模块在许多方面可以视为基于纳米结构材料的 热电子模块，其中材料的纳米尺寸实际上有助于热电发射。元素或化合物在加热到足够高的温度时，开始发射电子。在空气 中不可能注意到这种现象，因为发射的电子立即被周围空气的分子中 和。然而在真空中，发射的电子会被吸引到正电极，因此可形成真正 的电流。温度越高，电子发射越多。在下述装置中也可以发生类似的现象该装置完全处于固态，其 中一个被加热且另一个被冷却的两个电极通过势垒(barrier)材 料被分离以替代真空。在被加热的电极中，某些电子获得高能量(热 电子)，因此这些电子可以穿过将其与第二电极分离的能量势垒。不会 发生电荷沿相对方向的运动，因为在维持于较低温度的第二电极中， 电子能量不足以穿过势垒。因此，温度差异产生了可以用于对外部负 载供电的电流。然而，热离子装置必须区别于热电装置，因为前者中的电荷输运 为弹道类型而在后者中为扩散类型。这些装置的热动力学极限相同，描述，例如在下述公开中所描述，A Comparison 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种将电磁辐射（Ｒ）转换成电流（Ｉｇ，Ｉｇ’）的设备，该设备包括在传导正电荷载流子的材料的第一元件（１１；１１１）和传导负电荷载流子的材料的第二元件（１２；１１２）之间的多个结，所述多个结定义包括热结（１９）和冷结（１８）的多个热电偶（１０；１１１，１１２），所述多个热电偶（１０；１１１，１１２）接收由沿着包括热结（１９）的区域（１７２）的方向入射的辐射（Ｒ）产生的热流（ＦＴ），所述设备（２０；３０；７０；１７０；１９０）包括用于将所述辐射（Ｒ）引导朝向所述多个热电偶（１０；１１１，１１２）的装置（２５；７５；１７５），其特征在于：传导正电荷载流子的材料的所述第一元件（１１；１１１）和／或传导负电荷载流子的材料的所述第二元件（１２；１１２）包括纳米结构的材料，且用于引导所述辐射（Ｒ）的所述装置包括多个引导元件（２５；７５），所述多个引导元件将所述辐射（Ｒ）引导至所述热电偶（１０）的各个第一元件（１１）和第二元件（１２）的暴露于所述辐射（Ｒ）的面（１９；３９；１１９）。

【技术特征摘要】
EP 2006-7-24 06425522.71.一种将电磁辐射(R)转换成电流(Ig，Ig’)的设备，该设备包括在传导正电荷载流子的材料的第一元件(11；111)和传导负电荷载流子的材料的第二元件(12；112)之间的多个结，所述多个结定义包括热结(19)和冷结(18)的多个热电偶(10；111，112)，所述多个热电偶(10；111，112)接收由沿着包括热结(19)的区域(172)的方向入射的辐射(R)产生的热流(FT)，所述设备(20；30；70；170；190)包括用于将所述辐射(R)引导朝向所述多个热电偶(10；111，112)的装置(25；75；175)，其特征在于传导正电荷载流子的材料的所述第一元件(11；111)和/或传导负电荷载流子的材料的所述第二元件(12；112)包括纳米结构的材料，且用于引导所述辐射(R)的所述装置包括多个引导元件(25；75)，所述多个引导元件将所述辐射(R)引导至所述热电偶(10)的各个第一元件(11)和第二元件(12)的暴露于所述辐射(R)的面(19；39；119)。2. 如权利要求l所述的设备，其特征在于传导正电荷载流子的材 料的所述第一元件(11; 111)和/或传导负电荷载流子的材料的所述第 二元件(12; 112)配置成当直接接收所述电磁辐射U)时，引发热电 性能、热电子发射和隧穿电子发射。3. 如权利要求1或2所述的设备，其特征在于所述多个热电偶(10) 相对于所产生的电流Ug; Ig，)串联布置，相对于由入射在所述多个热 电偶(10)上的辐射U)产生的热流(FT)并联布置。4. 如权利要求3所述的设备，其特征在于所述暴露面(19)通过 仅部分交叠在所述暴露面U9; 39)上的金属结(24)电连接。5. 如权利要求3所述的设备，其特征在于各个热电偶元件的所述 暴露面(19; 39)包括用于吸收所述辐射(R)的抗反射元件(50a; 50b; 50c )。6. 如权利要求3至5中一项或多项所述的设备，其特征在于所述第一材料和/或第二材料为呈现复合物或团簇纳米结构的半导体。7. 如权利要求3至6中一项或多项所述的设备，其特征在于所述 多个引导元件(25; 75)包括微反射镜(25)。8. 如权利要求7所述的设备，其特征在于所述微反射镜(25)为 棱锥形。9. 如权利要求7所述的设备，其特征在于所述微反射镜(25)安 装在一个或多个所述金属结(24)上。10. 如权利要求9所述的设备，其特征在于电介质层(26)夹置 于所述微反射镜(25 )和所述金属结(24 )之间。11. 如权利要求10所述的设备，其特征在于所述棱锥形微反射镜 (25)的基底的高和边之间的比例为大于或等于2. 5。12. 如权利要求ll所述的设备，其特征在于所述棱锥形微反射镜 (25)具有交替不同的高度。13. 如权利要求3至6中一项或多项所述的设备，其特征在于所 述多个引导元件(25; 75)包括CPC抛物镜。14. 如权利要求3至6中一项或多项所述的设备，其特征在于所 述多个引导元件(25; 75)包括微透镜矩阵(75)。15. 如权利要求3至6中一项或多项所述的设备，其特征在于所 述多个引导元件(25; 75)包括扇出元件类型的光学衍射元件。16. 如权利要求3至6中一项或多项所述的设备，其特征在于所 述多个引导元件(25; 75)包括Damman光栅元件。17. 如权利要求3至6中一项或多项所述的设备，其特征在于所 述多个引导元件(25; 75)包括折射微光学元件。18. 如权利要求3至17中一项或多项所述的设备，其特征在于所 述多个电偶(19)布置成矩阵形式。19. 如权利要求18所述的设备，其特征在于所述热电偶的矩阵(10) 包括具有偏菱形截面的沿其轴之一排列以确定菱形矩阵的元件Ul， 12)。20. 如权利要求18所述的设备，其特征在于所述热电偶的矩阵(10) 包括具有正方形截面的沿其边排列以确定曲折路径的元件(11， 12)。21. 如权利要求20所述的设备，其特征在于包括按照叉指方式布置的多个曲折路径(Ig， Ig')。22. 如权利要求3至21中一项或多项所述的设备，其特征在于通 过结(24 )连接的第一传导类型的半导体材料的所述第一元件(11)和/ 或第二传导类型的半导体材料的所述第二元件(12)为截棱锥形柱状。23. 如权...

【专利技术属性】
技术研发人员：P帕洛，M布里格农，
申请(专利权)人：CRF阿西安尼顾问公司，
类型：发明
国别省市：IT[意大利]