一种热电转换器件及其制备方法、热电转换系统技术方案

本发明专利技术提供一种热电转换器件及其制备方法、热电转换系统，热电转换器件包括：第一电极；位于第一电极的一侧表面且与第一电极电连接的P型元件和N型元件；分别位于P型元件和N型元件背离第一电极一侧的第二电极；位于第一电极背离P型元件和N型元件的第一导热板；位于第二电极背离P型元件和N型元件的第二导热板；位于第一导热板和/或第二导热板的表面的微结构，微结构的第一表面至微结构的第二表面的方向与第一导热板至第二导热板的方向相同，第一表面的面积小于第二表面的面积。微结构实现了热电转换器件内的热流的定向调控，从而增大了热电转换器件两端的温差，进而增大了热电转换器件的热电转换效率或者制冷功率。器件的热电转换效率或者制冷功率。器件的热电转换效率或者制冷功率。

【技术实现步骤摘要】
一种热电转换器件及其制备方法、热电转换系统


[0001]本专利技术涉及热电转换
，具体涉及一种热电转换器件及其制备方法、热电转换系统。

技术介绍

[0002]热电材料是采用热电效应将热能和电能进行直接转换的一种无污染的绿色能源材料。热电材料能够利用温差发电而不需要机械部件，也不发生化学反应；还能够利用电压差制冷而无需压缩机或氟利昂等致冷剂。这使热电转换器件成为理想的无振动、无噪音、无泄漏、体积小、环境友好型电源和制冷器，近几年已被广泛应用于工业余热、地热能发电、清洁能源的风光热电联用、智能建筑及小区、深空探测、深海探测以及微电子及光电子器件散热。
[0003]热电转换效率是衡量材料热电转换能力的关键本征参数，如何调控提升热电转换效率是热电材料
‑
器件
‑
系统优化设计和应用的基础，也是制约热电材料研发、器件与系统优化及应用的瓶颈问题，严重制约现阶段新型热电材料及器件研制开发、能源高效及智能化利用、航空航天热电管理、节能智慧城市、分布式供能及储能技术的发展。
[0004]目前热电转换器件的热电转换效率一般较低(ZT≈1)，热电转换器件及系统的应用受到很大限制。

技术实现思路

[0005]因此，本专利技术提供一种热电转换器件及其制备方法、热电转换系统，以提高热电转换器件的热电转换效率。
[0006]本专利技术提供一种热电转换器件，包括：第一电极；位于所述第一电极的一侧表面且与所述第一电极电连接的P型元件和N型元件；分别位于所述P型元件和N型元件背离所述第一电极一侧的第二电极；位于所述第一电极背离所述P型元件和N型元件的第一导热板；位于所述第二电极背离所述P型元件和N型元件的第二导热板；微结构，所述微结构位于所述第一导热板背离所述第一电极的一侧表面，和/或，位于所述第一导热板朝向所述第一电极的一侧表面且与所述第一电极接触，和/或，位于所述第二导热板背离所述第二电极的一侧表面，和/或，位于所述第二导热板朝向所述第二电极的一侧表面且与所述第二电极接触；所述微结构具有相对设置的第一表面和第二表面，所述第一表面至第二表面的方向与所述第一导热板至第二导热板的方向相同，所述第一表面的面积小于所述第二表面的面积。
[0007]可选的，所述微结构的厚度具有微纳尺度。
[0008]可选的，所述微结构的厚度为10nm～10μm。
[0009]可选的，位于所述第一导热板或者所述第二导热板的一侧表面的所述微结构的数量为一个或多个；多个所述微结构呈阵列排布或平行排布。
[0010]可选的，所述微结构的材料为绝缘层，所述微结构的热导率为10W/(m.K)
‑
300W/(m.K)。
[0011]可选的，所述微结构的材料包括氮化硼、氮化铝、氮化硅或碳化硅。
[0012]可选的，所述第一表面的面积大于零。
[0013]可选的，所述微结构的形状包括圆台或棱台。
[0014]可选的，所述第一导热板背离所述第一电极的一侧表面以及所述第二导热板朝向所述第二电极的一侧表面设置有若干平行排布的微结构。
[0015]本专利技术还提供一种热电转换器件的制备方法，包括：提供第一导热板和第二导热板，所述第一导热板具有相对的第一侧和第二侧，所述第二导热板具有相对的第三侧和第四侧，所述第一侧、第二侧、第三侧和第四侧中的至少一侧形成有微结构，所述微结构具有相对设置的第一表面和第二表面，所述第一表面的面积小于所述第二表面的面积；提供第一电极和第二电极；将P型元件设置于所述第一电极和部分所述第二电极之间，将N型元件设置于所述第一电极和另一部分所述第二电极之间；将所述第一导热板设置于所述第一电极背离所述P型元件的一侧，将所述第二导热板设置于所述第二电极背离所述P型元件的一侧，所述微结构从第一表面至第二表面的方向与从所述第一导热板至第二导热板的方向相同。
[0016]可选的，采用3D打印、激光烧蚀、光刻加刻蚀或精密铸造工艺形成所述微结构。
[0017]本专利技术还提供一种热电转换系统，包括所述热电转换器件。
[0018]本专利技术技术方案，具有如下优点：
[0019]1.本专利技术提供的热电转换器件中设置有微结构，所述微结构的第一表面的面积小于所述第二表面的面积，所述第一表面至第二表面的方向与所述第一导热板至第二导热板的方向相同，即，在所述第一导热板至第二导热板的方向上所述微结构是不对称的，这使在热电转换过程中热电转换器件内产生热整流效应，也就是说，第二导热板至第一导热板的热流(正向热流)大于第一导热板至第二导热板的热流(反向热流)，热流的定向调控增大了热电转换器件两端的温差，进而增大了热电转换器件的热电转换效率或者制冷功率。
[0020]2.本专利技术提供的热电转换器件，所述微结构的厚度具有微纳尺度，一方面，微纳尺度的微结构具有较低的有效热导率，能够增大热电优值，从而增大了热电转换器件的热电转换效率或者制冷功率；另一方面，微纳尺度会增大热整流效应，这增大了器件两端的温差，从而增大了热电转换器件的热电转换效率或者制冷功率。
[0021]3.本专利技术提供的热电转换器件的制备方法，通过形成微结构实现了热电转换器件内的热流的定向调控，从而增大了热电转换器件两端的温差，进而增大了热电转换器件的热电转换效率或者制冷功率。
[0022]4.本专利技术提供的热电转换系统，所采用的热电转换器件中设置有微结构，具有较高的热电转换效率或者制冷功率。
附图说明
[0023]为了更清楚地说明本专利技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0024]图1为本专利技术实施例1提供的热电转换器件的结构示意图；
[0025]图2为图1所示的微结构的正视图；
[0026]图3为图1所示的一种矩阵排布的微结构的俯视图；
[0027]图4为图1所示的另一种矩阵排布的微结构的俯视图；
[0028]附图标记说明：
[0029]1‑
第一导热板；11
‑
第一侧；12
‑
第二侧；2
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第一电极；3
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第二电极；4
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第二导热板；41
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第三侧；42
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第四侧；5
‑
微结构；51
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微结构设置区；6
‑
P型元件；7
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N型元件。
具体实施方式
[0030]通过调控材料热电优值(ZT)、电导率(σ)、热导率(κ)、塞贝克系数(S)等固有参数，或者，提高器件两端温差是提升器件热电转换效率或冷功率的主要思路。
[0031]目前主要通过改变材料内部微纳结构或者掺杂浓度，降低材料热导率、提升材料电导率及塞贝本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种热电转换器件，其特征在于，包括：第一电极；位于所述第一电极的一侧表面且与所述第一电极电连接的P型元件和N型元件；分别位于所述P型元件和N型元件背离所述第一电极一侧的第二电极；位于所述第一电极背离所述P型元件和N型元件的第一导热板；位于所述第二电极背离所述P型元件和N型元件的第二导热板；微结构，所述微结构位于所述第一导热板背离所述第一电极的一侧表面，和/或，位于所述第一导热板朝向所述第一电极的一侧表面且与所述第一电极接触，和/或，位于所述第二导热板背离所述第二电极的一侧表面，和/或，位于所述第二导热板朝向所述第二电极的一侧表面且与所述第二电极接触；所述微结构具有相对设置的第一表面和第二表面，所述第一表面至第二表面的方向与所述第一导热板至第二导热板的方向相同，所述第一表面的面积小于所述第二表面的面积。2.根据权利要求1所述的热电转换器件，其特征在于，所述微结构的厚度具有微纳尺度。3.根据权利要求2所述的热电转换器件，其特征在于，所述微结构的厚度为10nm～10μm。4.根据权利要求1至3任一项所述的热电转换器件，其特征在于，位于所述第一导热板或者所述第二导热板的一侧表面的所述微结构的数量为一个或多个；多个所述微结构呈阵列排布或平行排布。5.根据权利要求1至3任一项所述的热电转换器件，其特征在于，所述微结构的材料为绝缘层，所述微结构的热导率为10W/(m.K)
‑
300W...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑兴华，王春阳，杨啸，张挺，卢瑞，陈海生，
申请(专利权)人：中国科学院工程热物理研究所，
类型：发明
国别省市：