[发明专利]热电元件

说明书

技术领域

本发明总体涉及热电元件。热电元件与并入此类元件的结构和设备一起提供。

背景技术

热电能量转换器（TEC）是将热电材料用于能量转换的设备。热电材料表现热电效应，其中响应于施加的电压在材料中生成热梯度，或者在施加热梯度时跨越材料生成电压。TEC因此可以用来从热梯度得到电功率或者从施加的电压生成用于加热或者冷却目的的热梯度。

TEC的效率由无量纲热电品质因数ZT表达。这可以由表达式ZT=σS²/κT描述，其中σ是电导率，κ是热导率，T是绝对温度，并且S是塞贝克（Seebeck）系数。一般假设大规模的经济功率生成需要3至4的ZT值。在体材料中，σ、S和κ相互依赖，并且已知大于1的ZT难以实现。使用纳米结构材料的新近进步提示可以单独调节这些参数。组合金属材料和半传导材料的纳米复合物和超晶格表现出比它们的相应体材料更高的功率因子σS²。组合不同材料的这些异质结构由于电子势垒的能量过滤效应而提供提高的性能。例如在以下文献中讨论其中由于材料在异质结构中的特定组合而形成能量势垒的这一效应：“Improved Thermoelectric Power Factor in Metal-based Superlattices”,Vashaee et al.,Physical Review Letters,Vol.92,No.10,2004。

当前现有技术的基于纳米复合物的TEC实现最佳为2的ZT值，并且仅在很高温度或者在很窄温度范围中实现最大值。对于一维系统（诸如半传导纳米线）的研究已经表明这一几何结构可以通过降低热导率κ来增强ZT。然而异质结构中的一般问题是存在由于失控的电荷载流子散射而引起降低导电性的界面状态。制作合适的结构也困难和昂贵。尽管基于平面和一维纳米结构的异质结构提供比基于纳米粒子的复合物更精确的电子势垒控制，但是这些需要甚至更昂贵的制作技术。例如在纳米线阵列的情况下，体积密度引起附加问题。

公开号为US2008/0276979的美国专利申请公开一种应变超晶格纳米线。在纳米条的相对表面上反相布置量子点，其中在相对表面上的点未直接彼此相对定位，而是沿着条的长度偏移定位。在点与条材料之间的晶格失配引起间歇表面应变调制，从而产生条的带隙中的周期性变化并且因此产生用于增加塞贝克系数的微带（miniband）结构。

发明内容

本发明的第一方面的实施例提供一种热电元件，包括由单个热电材料形成并且在第一方向上延伸的本体，在热电操作中沿着该第一方向建立热梯度。在这一元件中：

本体在所述第一方向上至少具有第一相邻分节和第二相邻分节；

所述分节中的至少一个分节受到在所述第一方向上基本上环绕本体的中心轴向该分节施加的应力；并且

该布置使得所述应力在第一分节和第二分节中造成不同应变从而在本体中产生能量势垒以增强热电操作。

因此在体现本发明的热电元件中，本体由单个热电材料形成。本体（至少）在第一方向上延伸，热梯度在操作中将与该第一方向对准。向本体的在这一第一方向上彼此相邻的第一分节和第二分节中的至少一个分节施加应力。在受到应力的本体分节中，基本上环绕本体的在第一方向上延伸的概念中心轴向该分节施加应力。施加的应力在第一分节和第二本体分节中引起不同应变，并且这一应变差在本体中产生能量势垒以增强热电效应。因此，本发明的实施例使用应变调制以提高单个材料中的热电性能，由此避免与以上讨论的异质结构关联的问题。根据本发明的实施例，基本上环绕本体的中心轴向任何给定的本体分节施加向本体分节施加的用于产生应变调制的应力。由于这一点，本体分节的整个截面将有应变从而保证微带结构在整个截面之上的可靠形成。在操作中，因此可以没有用于电流在第一方向上流过本体的备选路径并且避免有应变的区域。

本发明的实施例提供通过单个材料中的应变提供有效带隙调制的高效热电元件。此外，可以容易调节施加的应力以给予用于特定操作条件的所需应变。以下将结合具体实施例讨论这一和其它优点。