专利名称：一种温差电池及其制作方法
技术领域：
本发明涉及温差电技术领域，特别涉及一种温差电池及其制作方法。
背景技术：
温差电池就是利用温度差异制成的电池，由于塞贝克效应，使热能直 接转化为电能的装置。温差电池的工作原理是，将两种不同的金属或两种
不同类型的热电转换材料P型和N型半导体的一端结合并将其置于高温状 态，另一端开路并给以低温。由于高温端的热激发作用较强，空穴和电子 浓度也比低温端高，在这种载流子浓度梯度的驱动下，空穴和电子向低温 端扩散，从而在低温开路端形成电势差；如果将许多对P型和N型热电转 换材料连接起来组成才莫块，就可得到足够高的电压，形成一个温差发电机。 温差电池作为一种清洁能源，具有无噪音、无有害物质排放、可靠性 高、寿命长等一系列优点，它能长期、安全、连续地提供稳定的电能输出。 目前，主要是将热电材料线切割成片，再焊接，形成温差电池；制作微型 温差电池的方法中，主要有两类， 一类方法是在同一个基片上涂敷感光 胶，通过两次光刻的方法在感光胶上先后形成P型和N型微区，之后又先 后在P型和N型孩史区内沉积P型和N型温差电材料。这种制造方法难度大， 特别是在连接温差电单体的导电层制造工序中，需要把基片与其上已沉积 好的温差电单体整个剥离；另一类方法是P型温差电单体基片和N型温 差电单体基片分开独立制造，使得在微型薄膜温差电池的制造过程中，连 接P型和N型温差电单体的导电层的制造在基片与温差电单体不剥离的条 件下就可以进行。利用上述方法制造温差电池的工艺复杂，都有连接P型
3和N型温差电单体的过程，温差电池的性能也受到了限制。
发明内容
本发明的目的是，针对上述现有技术存在的缺陷提供了一种温差电池 及其制作方法，该温差电池的性能得到了提高，且该制作工艺简单。 本发明的技术方案如下
一种温差电池，包括绝缘基片，所述绝缘基片的上面镀有P型热电材 料薄膜层，所述绝缘基片的下面镀有N型热电材料薄膜层，所述绝缘基片 侧面中的一面镀有P型和N型材料薄膜成为P型热电材料薄膜层和N型热 电材料薄膜层的连"l妄端，所述P型热电材料薄膜层和所述N型热电材料薄 膜层分别引出电极。
其中，所述绝缘基片的厚度为0.1mm至100mm，所述P型热电材料 薄膜层的厚度为lnm至10jam;所述N型热电材料薄膜层的厚度为lnm 至lOjnm。
其中，所述绝缘基片材料的形状是规则的矩形、或者方形。
其中，所述绝缘基片棵露的侧面形状是平面或者是曲面。
一种温差电池的制作方法，包括步骤
将绝缘基片的一侧面在镀制过程中棵露，其他侧面被遮挡；
在所述绝缘基片的一面镀制P型热电材料薄膜层，厚度范围为lnm至
在所述绝缘基片的另一面镀制N型热电材料薄膜层，厚度为范围lnm 至10 (am;
P型热电材料薄膜和N型热电材料薄膜都在绝缘基片棵露的一侧面沉 积连接起来；
分别从所述N型热电材料薄膜层和所述P型热电材料薄膜层引出电极， 形成温差电池的主体结构。
4本发明的有益效果为本发明提供的温差电池的制备方法是在绝缘基 片的两面分别镀制P型热电材料薄膜层和N型热电材料薄膜层，在镀制过 程中，绝缘基片棵露一侧面，P型热电材料薄膜层和N型热电材料薄膜层 都在此有沉积，而使P型热电材料薄膜层和N型热电材料薄膜层在该侧面 处连接，形成PN结；无需再有专门连接P型热电材料薄膜层和N型热电 材料薄膜层的过程，使得制造温差电池的工艺比较简单。本发明采用镀制P 型热电材料薄膜层和N型热电材料薄膜层来形成温差电偶，由于薄膜热电 材料的特性，制作出的温差电池的性能也大幅度提高。由于利用镀制过程 中P型热电材料和N型热电材料都会在基片棵露侧面沉积成为连接P型热 电材料薄膜层和N型热电材料薄膜层的一端，因此，该端无焊接，该端作 为热面端，则制成温差电池的热面工作温度也将大幅提高。
图1为本发明实施例一提供的温差电池的断面结构示意图2a和图2b为本发明实施例一提供的温差电池的制作过程图3为本发明实施例二提供的温差电池的断面结构示意图4a和图4b为本发明实施例二提供的温差电池的制作过程图。
具体实施例方式
本发明提供了一种温差电池及其制作方法，为使本发明的目的、技术 方案及优点更加清楚、明确，以下参照附图并举实施例对本发明进一步详 细it明。
图1是本发明实施例一提供的温差电池的断面结构示意图，参照该图， 本实施例一提供的温差电池包括绝缘基片110，镀制在该绝缘基片一面的 P型热电材料薄膜层120 、镀制在该绝缘基片另一面的N型热电材料薄膜 层130。从该P型热电材料薄膜层120和N型热电材料薄膜层130分别引出电极140、150。在绝缘基片IIO的一面镀制一层P型热电材料薄膜层120， 形成如图2a所示的结构，然后在绝缘基片110的另一面镀制一层N型热电 材料薄膜层130，形成如图2b所示的结构；P型热电材料薄膜层120和N 型热电材料薄膜层130都在绝缘基片棵露的一侧面沉积连接起来。在图2b 所示的结构上的P型热电材料薄膜层120和N型热电材料薄膜层130分别 引出电极140、 150，形成该温差电池。其中P型热电材^h蓴膜层120和N 型热电材料薄膜层130在绝缘基片110的一侧面完全重叠连接。
图3是本发明实施例二提供的温差电池的断面结构示意图，参照该图， 本实施例二提供的温差电池包括绝缘基片210，镀制在该绝缘基片一面的 P型热电材料薄膜层220 、镀制在该绝缘基片另一面的N型热电材料薄膜 层230。从该P型热电材料薄膜层220和N型热电材料薄膜层230分别引 出电极240、250。在绝缘基片210的一面镀制一层P型热电材料薄膜层22(K 形成如图4a所示的结构，然后在绝缘基片210的另一面镀制一层N型热电 材料薄膜层230，形成如图4b所示的结构。P型热电材料薄膜层220和N 型热电材料薄膜层230都在绝缘基片棵露的一侧面沉积连接起来。在图4b 所示的结构上的P型热电材料薄膜层220和N型热电材料薄膜层230分别 引出电极240、 250，形成该温差电池。其中P型热电材料薄膜层220和'N 型热电材料薄膜层230在绝缘基片210的一侧面刚好连接。
上述实施例中的温差电池的材料一般有金属和半导体两种。所述的P 型和N型热电材料，也可以是两种不同的金属材料，即采用镀制两种不同 的金属材料薄膜来形成温差电偶。绝缘基片材料的形状是规则的矩形、或 者方形，或者是任意的不规则形状。
绝纟彖基片净果露的侧面形状可以是平面，也可以是曲面。
上述实施例提出的温差电池，制造过程简便易行，制造成本低，而且 性能也大幅度提高。上述实施例提供的温差电池通过大量串联连接，可以 在很小的温差下产生足够大的电压输出。下面利用实施例三和实施例四来详细描述该温差电池制作方法的过程。
实施例三
实施例三制作该温差电池使用的设备为三耙磁控溅射镀膜机。选用Sb、 Bi与Te为靶材，靶材纯度为99.99%, Sb、 Bi分别安置在两个直流溅射靶 位，Te安置在射频賊射靶位。以普通钠钩玻璃作为基片，有机溶剂对该基 片进行超声波清洗，然后放入镀膜室内的夹具上；该夹具^i殳计为可以对 基片进行翻转，便于对基片进行两底面镀膜，将绝缘基片110的一侧面棵 露，其他侧面遮挡住，基片110放置有一定的倾角，使在基片100棵露的 侧面镀上Sb、 Bi与Te薄膜。在室温条件下，分别采用直流賊射和射频溅 射方法，在绝缘基片110的一面上镀制Sb与Te两层膜，在后面进行的热
处理后，形成P型热电材料瑪&薄膜层120，厚度为700nm，如图2a所示； 然后通过调整靶材和翻转基片，分别采用直流溅射和射频溅射方法，在绝 缘基片llO的另一面上镀制Bi与Te两层膜，进行的热处理后，形成N型
热电材料^^3薄膜层130，厚度为700nm，如图2b。完成在绝缘基片110 的一面上镀制Sb与Te两层膜和在绝缘基片110的另一面上镀制Bi与Te
两层膜后，在200°C下退火一定时间。沉积制备薄膜的本底真空度
1SxlO"Vfl,工作真空"x10-'&。工作气体为99.99%的高纯Ar气，流量为
50sccm。
完成绝缘基片110的一面上镀制碼W薄膜层120和另 一面上镀制^7^3 薄膜层130的结构后，分别从瑪&薄膜层120和5/2&薄膜层130引出电极， 就形成了如图1所示或如图3所示的温差电池的主体结构。 之后可进行划片、装架、封装等常规后续工艺步骤。 P型和N型热电材料薄膜层的制备技术，在本实施例中采用的是磁控 溅射法，在其他的实施例中还可以采用热电材料薄膜制备的各种工艺。如 真空蒸发镀膜法、分子束外延法(MBE)、离子束溅射法、脉冲激光沉积
7法、电化学原子层外延法(ECALE )、金属有机化合物气相沉积法(MOCVD ) 和连续离子层吸附与反应法(SILAR)等。
制作过程中，可以先镀制P型热电材料薄膜120 ，后镀制N型热电材 料薄膜130;也可以先镀制N型热电材料薄膜130，后镀制P型热电材料薄 膜120。
实施例四
实施例四使用设备为超高真空离子束溅射镀膜机，为离子束溅射法制 备P型和N型热电材料薄膜层。选用塞贝克系数分别为P型和N型的金属 Sb与Bi为靶材，靶材纯度为99.99%，分别将P型和N型的金属Sb与Bi 的靶材安置在可转动选择溅射靶的靶位。以普通钠钩玻璃作为基片，使用 有机溶剂对基片进行超声波清洗，然后放入镀膜室内夹具上；夹具被设计 为可以对基片进行翻转，便于对基片进行两底面镀膜，将绝缘基片110的 一侧面棵露，其他侧面遮挡住，基片110放置有一定的倾角，使在基片110 棵露的侧面镀上Sb与Bi的交叠层。在室温条件下，采用离子束'减射方法， 先在绝缘基片110的一面上镀制Sb薄膜层120,厚度为300nm,如图2a所 示；然后通过调整靶材和翻转基片，在绝缘基片llO的另一面上镀制Bi薄 膜层130，厚度为300nm，如图2b所示。沉积制备薄膜的本底真空度为 4.5xl0-4&，工作真空为4.1X10-2P"。工作气体为99.99%的高纯Ar气，流 量为4sccm。离子束沉积的工艺参数为屏极电压1KV，阳极电压75V, 加速电压220V,阴才及电压7V,阴极电流11A,束流14mA。
得到绝缘基片110 —面上镀制Sb薄膜层120和另 一面上镀制Bi薄膜层 130的结构后，分别从Sb薄膜层120和Bi薄膜层引出电极140、 150，就 形成了如图1或图3所示的温差电池的主体结构。
之后可进行划片、装架、封装等常规后续工艺步骤，完成本发明温差 电池的制作。
在其他的实施例中，镀制过程中，P型和N型材料在绝缘基片棵露侧面的沉积，也可以部分重叠。所述绝缘基片的厚度为0.1mm至100mm,也可以选用更厚或更薄的基片。
上述实施例提供的温差电池制作方法，不仅制作过程简便易行，制作成本低，而且制作出的温差电池的性能也大幅度提高。制作出的单体温差电池通过大量串联连接，可以在很小的温差下产生足够大的电压输出。
热电现象本身是可逆的，半导体温差发电和半导体致冷是热电现象的两个方面，互相可逆。对于同一个PN结，若施加温差则可用来发电，若对其通电，则可用于在一端致冷。因此，本实施例的温差电池的主体结构，同时也就是温差电致冷器的主体结构。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照較佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1、一种温差电池，其特征在于，包括绝缘基片，所述绝缘基片的上面镀有P型热电材料薄膜层，所述绝缘基片的下面镀有N型热电材料薄膜层，所述绝缘基片侧面中的一面镀有P型和N型材料薄膜成为P型热电材料薄膜层和N型热电材料薄膜层的连接端，所述P型热电材料薄膜层和所述N型热电材料薄膜层分别引出电极。
2、 如权利要求1所述温差电池，其特征在于，所述绝缘基片的厚度为 0.1mm至100mm，所述P型热电材料薄膜层的厚度为lnm至10jnm;所 述N型热电材料薄膜层的厚度为lnm至10ium。
3、 如权利要求1所述温差电池，其特征在于，所述绝缘基片材料的形 状是规则的矩形、或者方形。
4、 如权利要求1所述温差电池，其特征在于，所述绝缘基片棵露的侧 面形状是平面或者是曲面。
5、 一种温差电池的制作方法，其特征在于，包括步骤 将绝缘基片的一侧面在镀制过程中棵露，其他侧面被遮挡； 在所述绝缘基片的一面镀制P型热电材料薄膜层，厚度范围为lnm至lOinm;在所述绝缘基片的另一面镀制N型热电材料薄膜层，厚度为范围lnm 至10jum;所述P型热电材料薄膜层和N型热电材料薄膜层都在绝缘基片棵露的 一侧面沉积连接起来；分别从所述N型热电材料薄膜层和所述P型热电材料薄膜层引出电极， 形成温差电池的主体结构。
全文摘要
本发明提出了一种温差电池及其制作方法，在绝缘基片的两面分别镀制P型热电材料薄膜层和N型热电材料薄膜层，在镀制过程中，绝缘基片裸露一侧面，P型热电材料薄膜和N型热电材料薄膜都在此有沉积，而使P型热电材料薄膜层和N型热电材料薄膜层在该侧面处连接，形成PN结；无需再有专门连接P型热电材料薄膜层和N型热电材料薄膜层的过程，使得制造温差电池的工艺比较简单。由于薄膜热电材料的特性，制作出的温差电池的性能也大幅度提高。由于利用镀制过程中P型热电材料和N型热电材料都会在基片裸露侧边沉积成为连接P型热电材料薄膜层和N型热电材料薄膜层的一端，该端无焊接，该端作为热面端，则制成温差电池的热面工作温度也将大幅提高。
文档编号H01L35/32GK101483218SQ20091010517
公开日2009年7月15日 申请日期2009年1月20日 优先权日2009年1月20日
发明者张东平, 梁广兴, 平 范, 郑壮豪 申请人:深圳大学