[发明专利]一种具有高转换效率的低品位废热回收锑化物热电模块及其制备方法

说明书

本发明涉及一种具有高转换效率的低品位废热回收锑化物热电模块及其制备方法，该热电模块包括绝缘导热陶瓷板，以及固定在绝缘导热陶瓷板上并由金属导流层串联的n‑p热电单元，n型热电元件组成为Ni/Fe/Mg₃SbBi/Fe/Ni，p型热电元件的组成为Ni/Sb/CdSb/Sb/Ni。本发明的热电器件选用的热电材料属于锑化物，其组成元素具有丰度高、价格低廉的特点，同时具有与商业Bi₂Te₃基材料可比热电性能。并且该热电器件相比于传统商业Bi₂Te₃基热电器件，具有转换效率高，应用温区宽，功率价格比高等特点，是目前低品位废热回收温区热电效率最高值。此外，该热电模块具有较高的热稳定性，热电元件可加工性高，是实现规模化生产和应用的必要条件。

技术领域

本发明属于热电材料技术领域，涉及一种具有高转换效率的低品位废热回收锑化物热电模块及其制备方法。

背景技术

现代工业能源消耗严重，在各种工厂中有60％以上的能量以废热的形式消散。高品位的高温废热在工业中较容易重复使用，但是，占总废热50％以上的低温废热因为品质低，能量密度低等特点而无法使用传统的方法回收利用。热电发电作为一种清洁无声的能源转换技术，能够将废热直接转化为有用的电能，减少了化石燃料的消耗，释放了随之而来的环境危机。热电转换效率通常由无量纲热电优值zT，zT＝S²T/ρκ，(T为绝对温度，S是泽贝克系数，ρ是电阻率，κ是热导率)。因为热电优值与温度息息相关，在低温获得高的热电性能极具挑战性。

虽然热电领域发展历史较为悠久，但是用于低温废热温区(600K)的热电材料依旧只用碲化铋合金。碲化铋由于其禁带宽度较小，在温度450K会发生严重的双极效应，导致热电性能下降，另一方面由于其自兼容性能较差，最终在获得的典型转换效率通常为7％以下。更重要的是，碲化铋合金的重要组成元素碲，地球储量较低，每年产量也不高，这就限制了碲化铋器件的大规模使用。由于材料成本较高，碲化铋器件的功率价格比值通常在20W/$以下，这还仅仅是考虑材料成本的情况下，因此开发更高效率以及元素组成更丰富便宜的热电器件用于低品位废热回收是热电领域一直的研究方向。

发明内容

本发明的目的就是为了提供一种具有高转换效率的低品位废热回收锑化物热电模块及其制备方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明的技术方案之一提供了一种具有高转换效率的低品位废热回收锑化物热电模块，包括绝缘导热陶瓷板，以及固定在绝缘导热陶瓷板上并由金属导流层串联的n-p热电单元，所述n-p热电单元由采用金属导流层串联的一个n型热电元件和一个p型热电元件组成，其中，n型热电元件组成为Ni/Fe/Mg₃SbBi/Fe/Ni(此处的Mg₃SbBi仅表示此类材料，并不是指热电半导体材料的组成即为Mg₃SbBi)，其以Mg₃SbBi系材料作为热电半导体材料，以Fe作为扩散屏蔽层，以Ni作为电极；p型热电元件的组成为Ni/Sb/CdSb/Sb/Ni(此处的CdSb仅表示C此类材料，并不是指热电半导体材料的组成为CdSb)，其以CdSb系材料作为热电半导体材料，以Sb作为扩散屏蔽层，以Ni作为电极。

进一步的，所述Mg₃SbBi系材料的组成为Mg_3.1Y_0.01SbBi，所述CdSb系材料的组成为Cd_0.99Ag_0.01Sb。该组成具有较高的热电性能，热电材料能够实现高热电优值zT及300-600K平均zT较高。