[发明专利]双段热电单臂及其制备方法

说明书

本发明公开了一种双段热电单臂及其制备方法，属于能源材料技术领域。本发明以(Bi,Sb)₂Te₃基和GeTe基热电材料粉体、对应的金属化层粉体以及两端电极粉体为原料，按特定顺序装入模具，然后通过放电等离子烧结技术，一步制成高稳定性、在较宽范围内保持高转换效率的双段热电单臂，当冷端温度为300K，热端温度为723K时，该类双段热电单臂的热电转换效率可达5.8％以上。

技术领域

本发明属于热电转换技术领域，具体涉及一种双段热电单臂及其制备方法。

背景技术

随着全球变暖和一次性能源消耗的不断加剧，人类的工业化生产对自然的影响和能源的依赖日益严峻，探索一种可持续利用的新能源已是大势所趋。热电材料是一种能将热能和电能相互转换的功能材料，1823年发现的Seebeck效应和1834年发现的Peltier效应为热电能量转换器和热电制冷的应用提供了理论依据，利用自然界存在的温差和工业废热等非污染能源进行热电发电具有良好的综合社会效益。目前，热电材料已成功应用于人造卫星、太空飞船、高性能接收器及传感器等发电、温控、制冷等领域，在环境污染和能源危机日益严重的今天，进行新型热电材料与器件的研究具有重要的现实意义。

材料的无量纲热电优值ZT通常在比较窄的温度区间显示最佳值，而热电器件的热电转换效率与温差成正比，因此单一材料构建的热电器件的热电转换效率偏低。分段热电器件依照温差区间，选取最佳热电性能对应温度梯度中不同温区的热电材料，这种低温段具有高ZT值的材料与高温段具有较高ZT值材料的结合，可以扩宽热电器件的工作温度区间，使热电材料工作在最佳温度范围，在较宽的温度范围内实现更高的平均无量纲热电优值ZT_avg，为获得高热电转换效率提供了一种途径。

P型GeTe是近年来发展迅速的新型高性能热电材料，其在700K性能良好，ZT值可达2以上。P型(Bi,Sb)₂Te₃在室温附近的性能良好，ZT值可达1以上。(Bi,Sb)₂Te₃与GeTe单段单臂的制备工艺已经有人报道，然而，其热电转换效率不高。通过焊接工艺制得的(Bi,Sb)₂Te₃/GeTe双段热电单臂可同时结合(Bi,Sb)₂Te₃和GeTe在低温和高温的性能优势，以获得尽可能高的转化效率。但是该方法制备的双段热电单臂的尺寸结构和制备工艺较复杂，容易出现焊锡浸润性差导致焊锡剥落或者内阻过大的现象，同时界面也容易生成副产物，降低界面结合强度，进而影响其热电转换效率。迄今为止，利用机械合金化法预合成多晶粉体，再结合放电等离子烧结工艺制备结晶性良好、结构致密、性能良好的(Bi,Sb)₂Te₃/GeTe双段热电单臂未见报道。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种双段热电单臂及其制备方法。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种双段热电单臂及其制备方法。根据本发明的实施例，所述制备方法分别选取低温段热电性能优异的P型(Bi,Sb)₂Te₃基热电材料粉体和中高温段热电性能优异的P型GeTe基热电材料粉体，选择合适的电极和金属化层粉体，按顺序装入模具，然后通过放电等离子烧结技术，一步制备成双段热电单臂。

所述制备方法具体包含以下步骤：

(1)设计热电单臂模块：选择特定的(Bi,Sb)₂Te₃基和GeTe基热电材料作为双段热电单臂的热电模块，并依据其热电输运性质，设计热电模块的横截面积和高度比，以实现热电转换效率的最大化。

优选的，所述热电材料高ZT值对应的温度区间应尽可能覆盖较宽的范围，以实现在较宽的工作温度范围内获得较高的热电转换效率。