热电模块的制作方法

本发明涉及一种热电模块，尤其涉及一种横向输出电压的热电模块。

背景技术：

许多产业在制造过程中需耗费大量能源及产生可观的热，造成大量的能源浪费。一般热电模块可利用温差发电，其优点在于所占空间不大，以及维修成本低，因此适合用来回收产业废热以避免能源浪费。

然而，一般传统热电模块仅产生与温差方向平行的电场，不易通过模块中P型与N型热电构件尺寸的改变来调整模块的热电效能，因此需要串接大量的P型与N型的热电材料方可在固定温差下得到较高的输出电压。

技术实现要素：

本发明提供一种热电模块，其可有效地提升模块效率。

本发明提供一种热电模块，包括至少一个PN结元件。PN结元件包括PN结结构、多个上电极以及至少一个下电极。PN结结构包括N型热电构件与P型热电构件，其中N型热电构件与P型热电构件相向的侧面相接。上电极彼此分离且分别覆盖N型热电构件的部分上表面或P型热电构件的部分上表面。下电极覆盖N型热电构件的下表面与P型热电构件的下表面。

依照本发明的一实施例所述，在上述热电模块中，N型热电构件与P型热电构件可为半导体材料，其电荷载子浓度例如是介于10¹⁸cm^-3至10²¹cm^-3之间。

依照本发明的一实施例所述，在上述热电模块中，N型热电构件的材料可为BiTe系热电材料、PbTe系热电材料或SiGe系热电材料。

依照本发明的一实施例所述，在上述热电模块中，P型热电构件的材料可为BiTe系热电材料、PbTe系热电材料或SiGe系热电材料。

依照本发明的一实施例所述，在上述热电模块中，上电极与下电极材料 分别可为金属或金属复合的导电材料。

依照本发明的一实施例所述，在上述热电模块中，N型热电构件与P型热电构件的形状分别可为条状、弧状或环状。

依照本发明的一实施例所述，在上述热电模块中，N型热电构件与P型热电构件可组成条状、弧状或环状。

依照本发明的一实施例所述，在上述热电模块中，N型热电构件与P型热电构件分别为弧状或环状，或者N型热电构件与P型热电构件组成弧状或环状时，PN结元件可应用于管状热源。

依照本发明的一实施例所述，在上述热电模块中，上电极与下电极的形状分别可为条状、弧状或环状。

依照本发明的一实施例所述，在上述热电模块中，在一个PN结元件中的下电极的数量可为一个，且完全覆盖或部分覆盖N型热电构件的下表面与P型热电构件的下表面。

依照本发明的一实施例所述，在上述热电模块中，PN结结构的数量可为多个且分离设置，且在相邻两个PN结结构中，相互分离的N型热电构件的上表面与P型热电构件的上表面通过所述上电极连接，相邻的下电极互相不接触。

依照本发明的一实施例所述，在上述热电模块中，在一个PN结元件中的下电极的数量可为多个，且下电极彼此分离且分别覆盖部分N型热电构件的部分下表面或部分P型热电构件的部分下表面。

依照本发明的一实施例所述，在上述热电模块中，在同一个PN结元件中，下电极之间可具有暴露出N型热电构件的部分下表面与P型热电构件的部分下表面的开口。

依照本发明的一实施例所述，在上述热电模块中，PN结结构的数量可为多个且分离设置，且在一个PN结结构中的N型热电构件的上表面以及P型热电构件的下表面分别通过上电极与下电极连接至一侧的P型热电构件的上表面以及N型热电构件的下表面。

依照本发明的一实施例所述，在上述热电模块中，在一个PN结结构中的N型热电构件的下表面以及P型热电构件的上表面分别通过下电极与上电极连接至另一侧的P型热电构件的下表面以及N型热电构件的上表面。

依照本发明的一实施例所述，在上述热电模块中，上电极与PN结结构的连接方式可通过焊料或直接压合进行连接。

依照本发明的一实施例所述，在上述热电模块中，下电极与PN结结构的连接方式可通过焊料或直接压合进行连接。

依照本发明的一实施例所述，在上述热电模块中，在同一个PN结元件中，上电极之间可具有暴露出N型热电构件的部分上表面与P型热电构件的部分上表面的开口。

基于上述，本发明所提出的热电模块中，通过N型热电构件与P型热电构件相向的侧面相接的设计，以及上电极彼此分离且分别覆盖N型热电构件的部分上表面或P型热电构件的部分上表面的设置方式，可产生垂直于冷端与热端的温差方向的横向温度梯度，即可在PN结结构中形成二维温度梯度，因此可具有引导载流子的效果，使得在固定温差下可得到更大的输出电压，以提升模块效率。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图作详细说明如下。

附图说明

图1为本发明第一实施例的热电模块的示意图；

图2为本发明第二实施例的热电模块的示意图；

图3为本发明第三实施例的热电模块的示意图；

图4为本发明第四实施例的热电模块的示意图；

图5为本发明第五实施例的热电模块的示意图；

图6为本发明第六实施例的热电模块的示意图；

图7为本发明第七实施例的热电模块的示意图；

图8为本发明第八实施例的热电模块的示意图。

附图标记说明：

100、700：PN结元件；

200、300、400、500、600、800：热电模块；

102：PN结结构；

104：N型热电构件；

106：P型热电构件；

107、109：开口；

108：上电极；

110：下电极；

L1、L2、L3：负载；

HT：管状热源。

具体实施方式

图1为本发明第一实施例的热电模块的示意图。

请参照图1，热电模块包括至少一个PN结元件100。在此实施例中，热电模块是以包括一个PN结元件100为例来进行说明，即可采用一个PN结元件100作为热电模块的最小单元，但本发明并不以此为限。在其他实施例中，热电模块亦可包括多个PN结元件100。

一个PN结元件100包括一个PN结结构102、多个上电极108以及至少一个下电极110。在第一实施例中，是以一个PN结元件100包括一个下电极110为例进行说明，但本发明不以此为限。在其他实施例中，一个PN结元件100亦可包括多个下电极110。

PN结结构102包括N型热电构件104与P型热电构件106，且N型热电构件104与P型热电构件106相向的侧面相接。在此实施例中，是以N型热电构件104与P型热电构件106相向的侧面完全相接为例进行说明，但本发明不以此为限。N型热电构件104与P型热电构件106可为半导体材料，其电荷载子浓度例如是介于10¹⁸cm^-3至10²¹cm^-3之间。当半导体材料的电荷载子浓度高于10²¹cm^-3，则席贝克(Seebeck)系数太低。当电荷载子浓度低于10¹⁸cm^-3，则电阻率太高。N型热电构件104可为常温热电材料(如BiTe系热电材料)、中温热电材料(如PbTe系热电材料)或高温热电材料(如SiGe系热电材料)。P型热电构件106的材料可为常温热电材料(如BiTe系热电材料)、中温热电材料(如PbTe系热电材料)或高温热电材料(如SiGe系热电材料)。然而，本发明并不以上述N型热电构件104与P型热电构件106的材料为限，任何热电材料系统其电荷载子浓度介于前述范围内皆可适用。

N型热电构件104与P型热电构件106的形状分别可为条状、弧状或环 状，且N型热电构件104与P型热电构件106还可组成条状、弧状或环状。在此实施例中，是以N型热电构件104与P型热电构件106的形状为条状，且N型热电构件104与P型热电构件106组成条状为例来进行说明。此外，当N型热电构件104与P型热电构件106为弧状或环状时(请参照图3与图4)，或者N型热电构件104与P型热电构件106组成弧状或环状时(请参照图5与图6)，PN结元件100可适用于常见管状热源，例如是热水管或废气管。

上电极108彼此分离且分别覆盖N型热电构件104的部分上表面或P型热电构件106的部分上表面，所以在上电极108之间会具有暴露出N型热电构件104的部分上表面与P型热电构件106的部分上表面的开口107。此外，在同一个PN结元件100中，一个上电极108仅会覆盖N型热电构件104与P型热电构件106中之一者的部分上表面。换言之，在同一个PN结元件100中，一个上电极108不会同时覆盖N型热电构件104与P型热电构件106。上电极108可为金属或金属复合的导电材料，其电阻率例如是低于10^-6Ω·m。上电极108的形状可为条状、弧状或环状。在此实施例中，上电极108的形状是以条状为例来进行说明。

下电极110覆盖N型热电构件104的下表面与P型热电构件106的下表面。下电极110可完全覆盖或部分覆盖PN结结构102中的N型热电构件104的下表面与所述P型热电构件106的下表面，只要下电极110同时覆盖到N型热电构件104的下表面与所述P型热电构件106的下表面，而使得N型热电构件104与P型热电构件106在邻近于下电极110的部分形成等电位即可。下电极110可为金属或金属复合的导电材料。下电极110的形状可为条状、弧状或环状。在此实施例中，下电极110的形状是以条状为例来进行说明。

上电极108以及下电极110与PN结结构102的连接方式分别可通过焊料或直接压合进行连接。在本实施例中，当使用直接压合的方式进行连结时，可避免焊料的使用，进而避免因焊料耐热度的限制而影响整体PN结元件100应用的温度范围。

上电极108与下电极110的其中之一邻近于热端，另一则邻近于冷端。在此实施例与下文的其他实施例中，皆是以上电极108邻近于冷端且下电极110邻近于热端为例进行说明，但本发明不以此为限。换言之，亦可将电极108邻近于热端且下电极110邻近于冷端。

相较于上电极108下方的N型热电构件104与P型热电构件106，开口107下方的N型热电构件104与P型热电构件106未被上电极108所覆盖而会与空气进行接触。由于空气的导热率比上电极108小，因此N型热电构件104与P型热电构件106会在上电极108覆盖的区域与未覆盖的区域之间的产生横向温度梯度。其中，横向温度梯度的方向垂直于冷端与热端的温差方向，即可在PN结结构102中形成二维温度梯度。由于上述横向温度梯度会在其方向上产生横向电压梯度，而具有引导载流子向上电极108的效果。因此，在固定温差的情况下，通过在PN结结构102中所形成的二维温度梯度，可在二个上电极108之间得到更大的输出电压，以提升模块效率。

此外，通过上述横向电压梯度可产生垂直于冷端与热端的温差方向的横向电流。上述横向电流会从P型热电构件106流至N型热电构件104，且通过上电极108进行输出。因此，本实施例的PN结元件100所产生的横向电流仅通过两个上电极108，因此相较于现有技术中的热电模块可减少电流通过接点的数量，以降低热电模块的总电阻，进而提高输出电压，以提升模块效率。

另外，PN结元件100仅须在上电极108侧组装配线，进而使PN结元件100的结构与形状更为弹性。

基于上述实施例可知，通过N型热电构件104与P型热电构件106相向的侧面相接的设计，以及上电极108彼此分离且分别覆盖N型热电构件104的部分上表面或P型热电构件106的部分上表面的设置方式，可产生垂直于冷端与热端的温差方向的横向温度梯度，即可在PN结结构102中形成二维温度梯度，因此可具有引导载流子的效果，使得在固定温差下可得到更大的输出电压，以提升模块效率。

图2为本发明第二实施例的热电模块的示意图。

请同时参照图1与图2，第二实施例与第一实施例差异如下。第二实施例中的热电模块200包括多个PN结元件100，而具有多个PN结结构102。PN结结构102分离设置，且在相邻两个PN结结构102中，相互分离的N型热电构件104的上表面与P型热电构件106的上表面通过上电极108连接，相邻的下电极110互相不接触。此外，第二实施例与第一实施例中相同的构件以相同的标号表示并省略其说明。

在热电模块200中，PN结元件100通过上述方式进行连接，而使得垂直于冷端与热端的温差方向的横向电流可经由上电极108进行输出。因此，在将两末端的上电极108连接至负载(load)L1时，可输出一组电压。

图3为本发明第三实施例的热电模块的示意图。

请同时参照图2与图3，第三实施例与第二实施例差异如下。在第三实施例的热电模块300中，PN结元件100中的N型热电构件104与P型热电构件的形状106分别为环状。此外，上电极108与下电极110亦可分别为环状，但本发明并不以此为限。其中，下电极110位于PN结结构102的内侧上，而上电极108位于PN结结构102的外侧上。此外，第三实施例与第二实施例中相同的构件以相同的标号表示并省略其说明。

第三实施例是将热电模块300应用于管状热源HT的实例，其中热电模块300套置于管状热源HT上。

图4为本发明第四实施例的热电模块的示意图。

请同时参照图2与图4，第四实施例与第二实施例差异如下。在第四实施例的热电模块400中，PN结元件100中的N型热电构件104与P型热电构件的形状106分别为弧状。此外，上电极108与下电极110亦可分别为弧状，但本发明并不以此为限。其中，下电极110位于PN结结构102的内侧，而上电极108位于PN结结构102的外侧上。此外，第四实施例与第二实施例中相同的构件以相同的标号表示并省略其说明。

第四实施例是将热电模块400应用于管状热源HT的实例，在此实施例中，是以一组热电模块400套置于管状热源HT上为例进行说明，但在其他实施例中亦可将两组热电模块400分离套置于管状热源HT上，且本发明并不以此为限。所属技术领域的普通技术人员可依照实际的产品设计需求来调整套置于管状热源HT上的热电模块400的数量，然而只要在管状热源HT上具有一组以上的热电模块400即属于本发明所保护的范围。

图5为本发明第五实施例的热电模块的示意图。

请同时参照图2与图5，第五实施例与第二实施例差异如下。在第五实施例的热电模块500中，PN结元件100中的N型热电构件104与P型热电构件106组成环状。此外，上电极108可为弧状，且下电极110可为环状，但本发明并不以此为限。其中，下电极110位于PN结结构102的内侧上， 而上电极108位于PN结结构102的外侧上。此外，第五实施例与第二实施例中相同的构件以相同的标号表示并省略其说明。

第五实施例是将热电模块500应用于管状热源HT的实例，其中热电模块500套置于管状热源HT上。

图6为本发明第六实施例的热电模块的示意图。

请同时参照图2与图6，第六实施例与第二实施例差异如下。在第六实施例的热电模块600中，PN结元件100中的N型热电构件104与P型热电构件的形状106组成弧状。此外，上电极108与下电极110亦可分别为弧状，但本发明并不以此为限。其中，下电极110位于PN结结构102的内侧，而上电极108位于PN结结构102的外侧上。此外，第六实施例与第二实施例中相同的构件以相同的标号表示并省略其说明。

第六实施例是将热电模块600应用于管状热源HT的实例。在此实施例中，是以一组热电模块600套置于管状热源HT上为例进行说明，但在其他实施例中亦可将两组热电模块600分离套置于管状热源HT上，且本发明并不以此为限。所属技术领域的普通技术人员可依照实际的产品设计需求来调整套置于管状热源HT上的热电模块600的数量，然而只要在管状热源HT上具有一组以上的热电模块600即属于本发明所保护的范围。

此外，第一实施例与第三实施例至第六实施例中的热电模块将电压输出到负载的方式可参考第二实施例的说明，故于此不再赘述。

图7为本发明第七实施例的热电模块的示意图。

请同时参照图1与图7，第七实施例与第一实施例的差异如下。在第七实施例中，热电模块可包括至少一个PN结元件700。一个PN结元件700包括多个下电极110。下电极110彼此分离且分别覆盖N型热电构件104的部分下表面或P型热电构件106的部分下表面，而在下电极110之间具有开口109。此外，在同一个PN结元件700中，一个下电极110仅会覆盖N型热电构件104与P型热电构件106中的一者的部分下表面。换言之，在同一个PN结元件700中，一个下电极110不会同时覆盖N型热电构件104与P型热电构件106。在此实施例中，热电模块是以包括一个PN结元件700为例来进行说明，即可采用一个PN结元件700作为热电模块的最小单元，但本发明并不以此为限。在其他实施例中，热电模块亦可包括多个PN结元件700。此外， 第七实施例与第一实施例中相同的构件以相同的标号表示并省略其说明。

相似于图1的第一实施例的情况，PN结元件700可通过开口107在上电极108覆盖的区域与未覆盖的区域之间的产生横向温度梯度，进而在靠近上电极108的PN结结构102中产生横向电压梯度。同理，PN结元件700可通过开口109在下电极110覆盖的区域与未覆盖的区域之间的产生横向温度梯度，进而在靠近下电极110的PN结结构102中产生另一横向电压梯度。因此，热电模块700可由上电极108与下电极110各输出一组电压。

图8为本发明第八实施例的热电模块的示意图。请同时参照图7与图8，第八实施例与第七实施例差异如下。在本实施例中热电模块800包括多个分离设置的PN结元件700。PN结结构102的数量为多个且分离设置，且在一个PN结结构102中的N型热电构件104的上表面以及P型热电构件106的下表面分别通过上电极108与下电极110连接至一侧的P型热电构件106的上表面以及N型热电构件104的下表面。此外，在同一个PN结结构102中的N型热电构件104的下表面以及P型热电构件106的上表面分别通过下电极110与上电极108连接至另一侧的P型热电构件106的下表面以及N型热电构件104的上表面。此外，第八实施例与第七实施例中相同的构件以相同的标号表示并省略其说明。

在热电模块800中，PN结元件700通过上述方式进行连接，可在PN结结构102靠近上电极108的上部与靠近下电极110的下部各产生一个横向电流，且PN结结构102上部的横向电流通过上电极108进行传递与输出，而PN结结构102下部的横向电流通过下电极110进行传递与输出。因此，在将两末端的上电极108连接至负载L2时，可输出一组电压。在将两末端的下电极110连接至负载L3时，可输出另一组电压。此外，第七实施例的热电模块将电压输出到负载的方式可参考第八实施例的说明，故于此不再赘述。

另一方面，在上述第一实施例至第八实施例中，是以通过热电模块利用温差来进行发电为例来进行说明，但本发明并不以此为限。所属技术领域的普通技术人员可对上述实施例中的热电模块输入电流用来做致冷或散热的用途。

综上所述，上述实施例所提出的热电模块至少具有以下特点。通过N型热电构件与P型热电构件相向的侧面相接的设计，以及上电极彼此分离且分 别覆盖N型热电构件的部分上表面或P型热电构件的部分上表面的设置方式，可产生垂直于冷端与热端的温差方向的横向温度梯度，即可在PN结结构中形成二维温度梯度，因此可具有引导载流子的效果，使得在固定温差下可得到更大的输出电压，以提升模块效率。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。