[发明专利]一种层叠结构的温差发电装置及其制备方法

说明书

本发明涉及一种层叠结构的温差发电装置及其制备方法，所述温差发电装置结构包括层叠设置的热电材料层、绝缘粘接层、顶部电极和底部电极、顶部绝缘层和底部绝缘层、绝缘绝热封装层，所述温差发电装置具有较长的热电臂长度，有利于拉大温差，可用于空气自然散热的温差发电环境。N型和P型热电材料之间没有空隙，单位面积内热电材料的占比大，有效降低温差发电模块的结构内阻和热阻，提高发电效率；采用简单边沿封装就能消除湿气腐蚀等问题；N型和P型热电材料之间的导电连接采用简单的喷涂或溅射工艺，连接电极的绝缘粘接层较薄，能极大地降低传热面的热阻。所述温差发电装置的传热面可加工成任何形状，有效贴合曲面热源，获得最大温差发电效率。

技术领域

本发明属于热电器件技术领域，具体涉及一种层叠结构的温差发电装置及其制备方法。

背景技术

温差发电模块是一种利用半导体热电效应实现热能转变成电能的装置，具有无噪声、寿命长、工作稳定可靠、轻便等特点，可利用各种能源，包括固、液、气态燃料、太阳能、核能、人体发热以及各种设备的废热、余热等为用电设备和装置提供电力，适用于航天、军事、勘探、便携设备、无源传感器等领域。

目前的温差发电模块的结构和制作方法，通常是将P型和N型热电材料切成设计尺寸的颗粒，颗粒两端镀上电极。在陶瓷基板上制备连接电极，并将P/N颗粒摆放在陶瓷基板电极上后用焊料将P型和N型颗粒按照导电串联、导热并联的方式焊接构成热电器件。颗粒阵列上下两个陶瓷基板形成了温差发电片的冷面和热面，将热面接触热源，冷面接触冷源(如风冷散热片、冷却循环水散热片等)，就可以从器件的两输出端获得输出电压和电流，实现温差发电。该类温差发电模块的具体结构和制作方法参见专利200610130263.X，CN101409324A，CN201408783Y等。

然而，由于现有的温差发电模块是由P型和N型热电材料颗粒通过阵列方式组装的形成的。主要存在以下几个方面的技术问题：(1)目前的温差发电模块由于P型和N型热电材料颗粒之间绝缘的需要，颗粒间会留出毫米级空隙，使得单位面积热电材料的占比不高，不仅热流传递效率受到损失，而且增加了发电模块的内阻。空隙的存在容易导致潮湿环境中潮气在器件内部聚集，引起热电材料腐蚀损坏失效。因此温差发电模块需要特殊封装，增加了制作成本。(2)为了获得结构支撑和电极之间绝缘，热电材料颗粒两端分别焊接在沉积有金属电极的陶瓷基片上。由于陶瓷的热导系数不高，一定厚度的陶瓷基片会产生热阻影响发电模块的发电效率。由于加工工艺的限制，陶瓷基片一般是平面结构，限制了发电模块在曲面热源情况下的应用。(3)利用空气自然散热方式的温差发电模块通常需要较长的热电臂来获得足够的温差。现有温差发电模块是由P型和N型热电材料颗粒排列焊接而成的，热电材料颗粒的高度(热电臂长度)一般都在毫米数量级，因此不能在空气自然散热条件下实现较高的热电转换效率。现有热电材料颗粒长度只有毫米数量级的主要原因是热电材料都比较脆，很难切割加工成细长条，并且细长条结构的热电材料很难采用现有的技术组装成器件，并具有较高的结构强度。尽管采取多级发电片叠加的方式可以等效增加热电臂的长度，拉大温差。但是由于每级发电片的热电材料片都安装在陶瓷基片上，陶瓷基片会增加装置重量和体积。而且每层陶瓷板会增加器件的纵向热阻，严重降低系统的热电转换效率。

发明内容

为了解决现有技术存在的上述问题，本发明提供了一种层叠结构的温差发电装置及其制备方法。本发明所述层叠结构的温差发电装置，单个器件具有较长的热电臂长度，有利于拉大温差，可用于空气自然散热的温差发电环境。N型和P型热电材料之间没有空隙，增加单位面积内热电材料的占比，能有效降低温差发电模块的结构内阻和热阻，提高发电效率；采用简单的边沿封装就能消除湿气腐蚀等问题；N型和P型热电材料之间的导电连接采用简单的喷涂或溅射工艺，连接电极的绝缘粘接层较薄，能极大地降低传热面的热阻。本发明所述温差发电装置的传热面可以加工成任何形状，能够有效贴合曲面热源，获得最大温差发电效率。

本发明所采用的技术方案为：

一种层叠结构的温差发电装置，结构包括：