[发明专利]一种平面型柔性热电器件电极及其制备方法、热电器件

说明书

本发明公开了一种平面型柔性热电器件电极及其制备方法、热电器件，涉及热电转换技术领域，包括衬底、位于衬底上表面间隔排列的多个正面电极、和位于衬底下表面间隔排列的多个反面电极；所述衬底上开设有通孔阵列，衬底上表面靠近通孔位置设置有预留区；孔内壁设有导电金属层，导电金属层上靠近预留区一侧设置有热电臂且热电臂延伸至预留区；按照“正面电极‑热电臂‑反面电极”的连接顺序依次串联实现电连通。本发明制备的电极适用于柔性热电器件，且方法简单，无需娴熟的专业操作人员，工艺规范，且接触电阻小。

技术领域

本发明涉及热电转换技术领域，尤其涉及一种平面型柔性热电器件电极及其制备方法、热电器件。

背景技术

能源危机和环境污染问题是二十一世纪面临的两大社会问题。热电材料具有将热能与电能直接相互转换的能力,基于该类材料的热电器件可有效地回收利用热能,提高能源利用效率，特别是对低品位能源的回收利用，热电器件被视为能够有效缓解能源危机的有效手段之一。

自热电器件最早应用在热电偶以来，热电器件目前已经被成功应用于某些特定的领域中,例如在阿波罗登月计划中宇航员与地球通讯所用的电能为热电器件所提供，由于热电器件具有高稳定性,非常适合特殊环境中使用；利用人体与环境温度的温差来提供电能的热电发电手表,该应用充分利用了热电器件易加工、体积小的优点，非常适合小腔体中的应用；利用热电制冷技术对光纤接口进行制冷以及所制造的便携式热电冰箱。目前,热电器件的应用领域正在进一步的拓展,宝马汽车公司成功的推出了一款整合了热电发电和制冷技术的概念车型BMW-530i。这些应用都综合利用了热电器件体积小、无污染、无噪音以及高稳定性等其它发电或制冷技术不具有的独特优势。

当前功能电子技术朝着可穿戴、便携化、低功耗等方向发展，需要轻便化、可穿戴性良好、人体服装兼容的功能装置。尤其是近几年来智能可穿戴能源器件的迅速发展，对器件的轻质化、微型化和柔性化提出了更高的要求，传统的集中式、固定式的能源供应模式已经不能够适应发展的需求。

热电器件的基本单元为一个p-型热电脚与一个n-型热电脚，由具有高电导的金属电极相连构成一个回路，其中，热电脚一般采用腿型(leg-type)结构。良好的金属电极互联对器件性能起到至关重要的作用，能够降低接触电阻来提高性能。半导体行业中的微电子机械加工金属电极制作工艺是公认的标准工艺。例如上海交通大学微纳电子学系胡志宇研究团队采用一种混合制备方法，将非接触式光刻与光刻胶熔炼相结合，应用紫外光刻、磁控溅射等微纳制造技术，制备具有良好电接触的上电极，将46000个P-N热电单元串联在一块硅片上制作MEMS微热电发生器(μ-TEG)来区分不同材料在光照后的光热效应。J.P.Carmo等利用光刻工艺将n-型碲化铋和p-型碲化锑薄膜制作镍金属电极互联，制备了一种用于能量清除系统的热电式微变换器。2017年，意大利微电子与微系统研究所的Luca Francioso等在PDMS通孔结构中填充热电粉末与聚合物的混合浆料、退火固化形成热电臂，用银浆手工印刷冷热端电极的柔性温差发电器。结果当温差为10K时，45对热电臂的温差发电器输出功率为27nW。但是，由于该工艺对设备、操作人员以及成本的要求较高，一般研究小组不具备这种条件。为了满足一般实验室研究需要，在热电器件制作中采用一种相对简单的手工银浆料涂覆形成电连通的方法来完成电极的制作，这种制作电极的方式在便携式、可穿戴纳米器件中比较常见，如柔性发动机。例如浙江大学机械工程学院汪延成小组采用热压工艺制作热电块样品，通过化学沉积铜金属膜和丝网印刷银浆薄膜制作电互联研制可穿戴的柔性热电发动机。B.J.Cho等专门研究了由银片与UV树脂合成的浆料通过紫外烘烤的方式固化，将其用于热电发动机的电极。日本东海大学的Masayuki Takashiri等在聚酰亚胺掩膜的不锈钢衬底上分别电沉积形成串联结构的n-型Bi₂Te₃薄膜和p-型Sb₂Te₃薄膜，用银浆料作为电连接制作平面薄膜型的热电发电机。期望通过优化制作工艺来降低接触电阻，制作性能优良的发动机器件。这种直接使用银浆料实现电连接的方式基本还停留在手工制作的阶段，因而制作工艺粗糙，这种工艺制备的电极势必会存在较高的接触电阻，从而最终对热电器件的性能造成极大的影响。