[发明专利]一种热电模块及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及纳米材料热电转换技术领域，尤其是涉及一种热电模块及其制备方法。

背景技术

由P型和N型热电材料构成的热电模块能够直接实现电能和热能的相互转化。在温差发电方面，热电模块能非常有效地将产生于自然热源(如太阳能或地热能)的热能和工业、生活普遍存在的废热直接转换为有价值的电能，实现能源的循环利用。在热电制冷方面，相比于传统制冷机，热电制冷将减少有毒的氯氟化烃及其替代物的使用，并且减少了制冷器的重量、成本及能源消耗。同时，热电模块结构简单、工作时没有运动的机械组件，也不需要危险的液体、气体介质，因此工作时安静、无噪声、稳定性高且不会带来污染。在环境污染和能源危机日益严重的今天，热电模块在温差发电和热电制冷等领域具有广泛的应用前景和很强的现实意义。

发明内容

发明人发现，目前报道较多的热电模块有由聚合物、碳纳米管、碳纳米管/聚合物复合材料构成的柔性热电模块。在制备所述柔性热电模块时需要分别制备P型和N型热电腿，然后通过金属连接线将这些热电腿进行电串联，此外，为了降低金属连接线与热电腿的接触电阻，通常会在每条热电腿上沉积几十纳米的金或银的顶电极或在热电腿上抹上银胶。如此，热电模块不仅制备过程繁琐，而且尺寸也不够紧凑，发明人还发现，当所述热电模块与热源接触时，由于热电腿之间的间隔，会使得这些间隔无法利用热源，从而限制了对热源的利用。

同时，发明人进一步发现，在目前的一些报道中，如2011年Crispin研究组利用优化的PEDOT-Tos薄膜作为p型热电腿，TTF-TCNQ作为n型热电腿，制备了含有54条热电腿的全有机热电模块，在30K的温度梯度下其功率密度为0.27μW cm^-2(功率密度为功率除以整个模块的横截面积)。2012年Zhu研究组基于n型的金属配位聚合物poly[Na_x(Ni-ett)]和p型的金属配位聚合物poly[Cu_x(Cu-ett)]在Al衬底上制备了含有35对热电偶的全有机热电模块，在30K的温度梯度下功率密度为2.8μW cm^-2。2015年Bazan研究组利用共轭聚电解质/单壁碳纳米管(CPE/SWNT)复合薄膜制备了含有8条热电腿的径向热电模块，可以实现对点热源的利用，在35K的温度梯度下产生的功率大小为0.3nW。其中柔性热电模块的输出功率和功率密度较小的原因是因为构成模块的P型或N型的柔性热电材料的功率因子不高，因此大大影响了模块的热电转换效率。

因此，本发明的目的在于提供一种热电模块，该热电模块的制备方法简单、尺寸紧凑、性能较高，具有较大的输出功率和功率密度。

本发明的另一个目的在于提供一种热电模块的制备方法，该制备方法操作简单，所制备出的热电模块尺寸紧凑、性能较高，具有较大的输出功率和功率密度。

特别地，本发明提供了一种热电模块，包括：

连续的柔性热电薄膜，其内具有呈现P型材料特性的多个P型平面区域和呈现N型材料特性的多个N型平面区域，所述多个P型平面区域和所述多个N型平面区域沿所述柔性热电薄膜的延伸方向连续且交替分布；其中，所述柔性热电薄膜沿所述延伸方向以基本上为“W”状的折叠形式形成一紧凑的结构，或所述柔性热电薄膜沿所述延伸方向以同一方向卷绕的折叠形式形成一紧凑的结构，并使得任一对相邻的P型平面区域和N型平面区域相互面对，从而形成对应的P-N结单元；以及

绝缘隔膜，设置在每一P-N结单元中的相互面对的P型平面区域和N型平面区域之间。

进一步地，每一所述P型平面区域和每一所述N型平面区域具有基本相同的面积和形状，以使得所述柔性热电薄膜的相邻P型平面区域和N型平面区域能基本上相互重叠，并且使所述紧凑的结构的主表面的面积为每一所述N型平面区域或P型平面区域的面积。

进一步地，所述绝缘隔膜具有与所述P型平面区域和所述N型平面区域基本相同的面积和形状。

进一步地，所述绝缘隔膜是柔性的。

进一步地，所述绝缘隔膜是隔热的。

进一步地，还包括用于传输电信号的两个电极，所述两个电极分别位于所述柔性热电薄膜沿其延伸方向的两端，且由所述两端延伸出的部分组成；可选地，所述两个电极为所述柔性热电薄膜沿其延伸方向两端引出的外电极，所述外电极为柔性的或非柔性的。