一種熱電能量轉化的結構的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及固體的熱電效應，特別涉及半導體材料的熱電效應，屬于半導體熱電技術領域。
【背景技術】
[0002]隨著社會的發展，能源始終是熱門話題，當前各種新能源都在慢慢被開發，廢熱能的回收利用顯得尤為落后。目前熱電轉化的途徑有很多，但是轉化效率都很低，沒有大的實際意義，其中有一種叫半導體溫差發電片，其原理就是熱電效應中的西伯克效應。
[0003]在現代固體電子技術中有五個熱電效應，分別為西伯克(Seebeck)效應、帕爾帖(Peltire)效應、湯姆遜(Thomson)效應、導熱焦耳和熱損失。
[0004]由兩種不同的金屬構成閉合回路，當回路中存在直流電流時，兩個接頭之間將產生溫差，這就是帕爾帖效應(Peltier Effect)。它的逆反應就是西伯克效應(SeebeckEffect)，即由兩種不同金屬構成回路且兩個接頭存在溫差則回路中將產生持續電流。通常將西伯克效應稱作熱電第一效應，帕爾帖效應稱作熱電第二效應，湯姆遜效應稱作熱電第三效應。物理學對帕爾帖效應的解釋是:回路中電荷載體在導體中運動形成電流，由于電荷載體在不同的材料中處于不同的能級，并且在流過兩種材料的交界面時，當電荷載體從高能級向低能級運動時，便釋放出多余的能量；相反，從低能級向高能級運動時，會從外界吸收能量。能量在兩種材料的交界面以熱的形式吸收或放出，宏觀表現出溫差現象。
[0005]費米能級的定義參見固體電子技術材料，值得關注的是:一般來說材料中的電荷載體基本上都處于費米能級附近。
[0006]西伯克效應的發電原理是在存在溫差的情況下才能將熱能部分轉化為電能，效率極低。而已知的改善效率的方法都只是在溫差上做研宄，這個方向對效率提升并不大。因此要較大的提升熱電轉化效率，需要從結構上改動。

【發明內容】

[0007]本發明是對帕爾帖效應的補充，帕爾帖效應是在兩種不同金屬構成的閉合回路通以直流電流，在兩個接頭之間將產生溫差。
[0008]本發明的特點是:
1、帕爾貼效應中的兩種材料兩個交接點拓展到了三種材料三個交接點；
2、帕爾帖效應中的金屬與金屬的接觸拓展到了金屬與半導體材料的接觸；
3、本發明結構能將熱能直接轉化為電能，實現發電和制冷的功能；
4、本發明結構不需要所述溫差發電的溫差條件。
[0009]發明方案
本發明是一種可實際制造的示意結構，所述示意結構包括:金屬a材料，金屬b材料，半導體c材料。
[0010]所述金屬a材料，具有較高的費米能級，下面簡稱“金屬a” 所述金屬b材料，具有較低的費米能級，下面簡稱“金屬b”
所述半導體C材料，具有中等的費米能級，下面簡稱“半導體C”
以上所述三種材料的費米能級數值大小關系為:金屬a>半導體c>金屬b。
[0011]所述示意結構是由所述三種材料構成的閉合回路結構，如圖1所示。
[0012]所述閉合回路結構中有三個交接面，分別為:金屬a與半導體c接觸面(簡化為ac面)、半導體c與金屬b接觸面(簡化為cb面)、金屬a與金屬b接觸面(簡化為ab面)。
[0013]所述ac面和所述cb面都是肖特基接觸，另外因為所述金屬a和所述金屬b與半導體c的費米能級大小關系是相反的，所以所述ac面和所述cb面具有相反的肖特基勢皇，肖特基勢皇具有與PN結相似的特性；所述ab面為金屬接觸。
[0014]在所述閉合回路中，通以直流電流，方向如:a — c — b — a。
[0015]按照帕爾帖效應的分析:所述ac面吸熱、所述cb面吸熱、所述ab面放熱，并且ac面和cb面吸熱的總量等于ab面放熱的量(不考慮其它熱效應)。
[0016]由于所述ab面是金屬與金屬接觸，阻抗非常小，其帕爾帖效應遠低于半導體材料，所以所述ab面釋放的熱量不明顯，但遵循能量守恒定律，而所述ac面和所述cb面吸收的熱量，會因為所述閉合回路中的材料電阻而以焦耳熱的形式釋放。
[0017]因此所述示意結構不遵循帕爾帖效應的一般的熱交換等式，即交接面的吸熱量等于交接面的放熱量。
[0018]實用性
所述示意結構的西伯克效應就是其實際應用，也就是本發明的用途。
[0019]將所述ac面和所述cb面置于一般熱源處，則在所述閉合回路中會產生持續電流，方向為:a —c —b —a，并且所述ab面的溫度不會上升或上升不明顯。
[0020]與常規溫差發電方式相比，所述示意結構具有能將熱能直接轉化為電能的性能，而且還具有能從單一熱源吸取能量的新穎性。
[0021]所述金屬a材料有:鎂、鋁、鋅、鐵；
所述金屬b材料有:镲、銅；
所述半導體c材料有:碲化秘；
所述交接面處的肖特基接觸可以通過噴涂電鍍的方式獲得功能型的鍍層。
【附圖說明】
[0022]圖1為本發明的原理結構示意圖
圖中:1金屬a材料，2金屬b材料，3半導體c材料。
【具體實施方式】
[0023]下面將更詳細地描述本公開發明的示例性實施例。所舉實施例僅用于解釋本發明，并非以此限定本發明的保護范圍。應當理解，可以以各種形式實現本公開發明而不應被這里闡述的實施例所限制。提供這些實施例是為了能夠更透徹地理解本公開發明，并且能夠將本公開發明的范圍完整的傳達給本領域的技術人員。
實施例
[0024]本實施例公開了一種熱電能量轉化的實用產品，該產品的制造過程大體同于現有已知的溫差發電片生產技術方法，其區別僅在于:1，晶片類型；2，噴涂電鍍工序；3，擺模工序；4，陶瓷板金屬化。以下將分別對上述區別進行具體描述。
[0025]1.晶片類型
現有已知的溫差發電片的結構是由P型材料和η型材料交替串聯連接組成的結構，本實例的區別在于:只選用一種類型的半導體材料，本實例中選用η型碲化鉍材料。
[0026]2.噴涂電鍍工序
在已知的生產技術中噴涂電鍍工序是在晶片的兩面都噴涂一層鎳層，然后在鎳層上電鍍鎳錫層利于焊接，本實例的區別在于:在晶片的一面噴涂鎳層，然后在鎳層上電鍍鎳錫層(本實施例金屬b材料選用金屬鎳);在晶片的另一面噴涂鋁層(本實施例金屬a材料選用金屬鋁)，然后在鋁層上電鍍鋁錫層。工藝控制參數參照現有技術并根據最終轉換效率改進，特別要注意的是噴涂鋁層時應防止鋁層表面氧化。
[0027]3.擺模工序
在已知的生產技術中擺模工序是把P型顆粒和η型顆粒按照一定的秩序排列擺置，另外由于所有的單個顆粒材料的鍍層兩端是對稱的，所以所有單個顆粒是沒有正反方向的。本實例的區別在于:因為只有一種材料顆粒，所以沒有固定的秩序，但是每一個顆粒的鍍層兩端是不對稱的，所以每一個顆粒都是有正反方向的，因此擺模的原則是保證所有顆粒同向串聯連接。
[0028]4.陶瓷板金屬化
陶瓷板的金屬化可以采用現有技術中已知的方法制備。本實施例的特點在于陶瓷板的金屬化圖形應該根據擺模位置來設計。
[0029]上述實施例僅僅是對本發明的優選實施方式進行的描述，并非對本發明的范圍進行限定，在不脫離本發明設計精神的前提下，本領域相關技術人員對本發明的各種變形和改進，均應擴入本發明權利要求書所確定的保護范圍。
【主權項】
1.一種新型熱電能量轉化的結構，其特征在于，包括:金屬a材料，金屬b材料，半導體c材料，所述結構由所述三種材料串聯連接組成閉合回路。
2.根據權利要求1所述的熱電能量轉化的結構，其特征在于:所述三種材料的費米能級值大小關系需滿足下條件，如:金屬a材料 > 半導體c材料 > 金屬b材料，或金屬a材料<半導體c材料〈金屬b材料。
3.根據權利要求1所述熱電能量轉化的結構，其特征在于:所述金屬a材料與所述半導體c材料是肖特基接觸，所述金屬b材料與所述半導體c材料是肖特基接觸，所述金屬a材料與所述金屬b材料是歐姆接觸。
4.根據權利要求3所述肖特基接觸，其特征在于:所述肖特基接觸是通過噴涂電鍍方式獲得功能型涂層。
5.根據權利要求1所述熱電能量轉化的結構，其特征在于:所述半導體c材料是熱電材料。
6.根據權利要求5所述熱電材料，其特征在于:所述熱電材料選擇參雜碲化鉍材料，但不僅限于此例。
7.根據權利要求1所述熱電能量轉化的結構，其特征在于:所述熱電能量轉化的結構至少存在一個在實際應用的閉合回路中。
8.根據權利要求1所述熱電能量轉化的結構，其特征在于:所述結構用于制冷目的。
9.根據權利要求1所述熱電能量轉化的結構，其特征在于:所述結構用于發電目的。
【專利摘要】本發明公開了一種新型熱電能量轉化的示意結構，其結構包括金屬a材料、金屬b材料、半導體c材料。上述三種材料的費米能級大小需滿足下條件，如：金屬a材料>半導體c材料>金屬b材料；上述三種材料串聯連接構成閉合回路結構，回路中金屬與半導體的交接面處存在肖特基勢壘；當ac交接面和cb交接面處于一般熱源處時，整個回路中會產生持續電流，所提供的熱源會持續降溫，但ab面的溫度影響很小，無需散熱，與傳統的溫差發電相比，本發明結構不需要溫差條件存在，從而將熱能高效的直接轉化為直流電能，達到制冷和發電的目的。
【IPC分類】H01L35-34, H01L35-16, H01L35-32
【公開號】CN104638100
【申請號】CN201510092398
【發明人】蔡理洋
【申請人】蔡理洋
【公開日】2015年5月20日
【申請日】2015年3月2日