一种热电能量转化的结构的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及固体的热电效应，特别涉及半导体材料的热电效应，属于半导体热电技术领域。
【背景技术】
[0002]随着社会的发展，能源始终是热门话题，当前各种新能源都在慢慢被开发，废热能的回收利用显得尤为落后。目前热电转化的途径有很多，但是转化效率都很低，没有大的实际意义，其中有一种叫半导体温差发电片，其原理就是热电效应中的西伯克效应。
[0003]在现代固体电子技术中有五个热电效应，分别为西伯克(Seebeck)效应、帕尔帖(Peltire)效应、汤姆逊(Thomson)效应、导热焦耳和热损失。
[0004]由两种不同的金属构成闭合回路，当回路中存在直流电流时，两个接头之间将产生温差，这就是帕尔帖效应(Peltier Effect)。它的逆反应就是西伯克效应(SeebeckEffect)，即由两种不同金属构成回路且两个接头存在温差则回路中将产生持续电流。通常将西伯克效应称作热电第一效应，帕尔帖效应称作热电第二效应，汤姆逊效应称作热电第三效应。物理学对帕尔帖效应的解释是:回路中电荷载体在导体中运动形成电流，由于电荷载体在不同的材料中处于不同的能级，并且在流过两种材料的交界面时，当电荷载体从高能级向低能级运动时，便释放出多余的能量；相反，从低能级向高能级运动时，会从外界吸收能量。能量在两种材料的交界面以热的形式吸收或放出，宏观表现出温差现象。
[0005]费米能级的定义参见固体电子技术材料，值得关注的是:一般来说材料中的电荷载体基本上都处于费米能级附近。
[0006]西伯克效应的发电原理是在存在温差的情况下才能将热能部分转化为电能，效率极低。而已知的改善效率的方法都只是在温差上做研宄，这个方向对效率提升并不大。因此要较大的提升热电转化效率，需要从结构上改动。
【发明内容】
[0007]本发明是对帕尔帖效应的补充，帕尔帖效应是在两种不同金属构成的闭合回路通以直流电流，在两个接头之间将产生温差。
[0008]本发明的特点是:
1、帕尔贴效应中的两种材料两个交接点拓展到了三种材料三个交接点；
2、帕尔帖效应中的金属与金属的接触拓展到了金属与半导体材料的接触；
3、本发明结构能将热能直接转化为电能，实现发电和制冷的功能；
4、本发明结构不需要所述温差发电的温差条件。
[0009]发明方案
本发明是一种可实际制造的示意结构，所述示意结构包括:金属a材料，金属b材料，半导体c材料。
[0010]所述金属a材料，具有较高的费米能级，下面简称“金属a” 所述金属b材料，具有较低的费米能级，下面简称“金属b”
所述半导体C材料，具有中等的费米能级，下面简称“半导体C”
以上所述三种材料的费米能级数值大小关系为:金属a>半导体c>金属b。
[0011]所述示意结构是由所述三种材料构成的闭合回路结构，如图1所示。
[0012]所述闭合回路结构中有三个交接面，分别为:金属a与半导体c接触面(简化为ac面)、半导体c与金属b接触面(简化为cb面)、金属a与金属b接触面(简化为ab面)。
[0013]所述ac面和所述cb面都是肖特基接触，另外因为所述金属a和所述金属b与半导体c的费米能级大小关系是相反的，所以所述ac面和所述cb面具有相反的肖特基势皇，肖特基势皇具有与PN结相似的特性；所述ab面为金属接触。
[0014]在所述闭合回路中，通以直流电流，方向如:a — c — b — a。
[0015]按照帕尔帖效应的分析:所述ac面吸热、所述cb面吸热、所述ab面放热，并且ac面和cb面吸热的总量等于ab面放热的量(不考虑其它热效应)。
[0016]由于所述ab面是金属与金属接触，阻抗非常小，其帕尔帖效应远低于半导体材料，所以所述ab面释放的热量不明显，但遵循能量守恒定律，而所述ac面和所述cb面吸收的热量，会因为所述闭合回路中的材料电阻而以焦耳热的形式释放。
[0017]因此所述示意结构不遵循帕尔帖效应的一般的热交换等式，即交接面的吸热量等于交接面的放热量。
[0018]实用性
所述示意结构的西伯克效应就是其实际应用，也就是本发明的用途。
[0019]将所述ac面和所述cb面置于一般热源处，则在所述闭合回路中会产生持续电流，方向为:a —c —b —a，并且所述ab面的温度不会上升或上升不明显。
[0020]与常规温差发电方式相比，所述示意结构具有能将热能直接转化为电能的性能，而且还具有能从单一热源吸取能量的新颖性。
[0021]所述金属a材料有:镁、铝、锌、铁；
所述金属b材料有:镲、铜；
所述半导体c材料有:碲化秘；
所述交接面处的肖特基接触可以通过喷涂电镀的方式获得功能型的镀层。
【附图说明】
[0022]图1为本发明的原理结构示意图
图中:1金属a材料，2金属b材料，3半导体c材料。
【具体实施方式】
[0023]下面将更详细地描述本公开发明的示例性实施例。所举实施例仅用于解释本发明，并非以此限定本发明的保护范围。应当理解，可以以各种形式实现本公开发明而不应被这里阐述的实施例所限制。提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开发明，并且能够将本公开发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
实施例
[0024]本实施例公开了一种热电能量转化的实用产品，该产品的制造过程大体同于现有已知的温差发电片生产技术方法，其区别仅在于:1，晶片类型；2，喷涂电镀工序；3，摆模工序；4，陶瓷板金属化。以下将分别对上述区别进行具体描述。
[0025]1.晶片类型
现有已知的温差发电片的结构是由P型材料和η型材料交替串联连接组成的结构，本实例的区别在于:只选用一种类型的半导体材料，本实例中选用η型碲化铋材料。
[0026]2.喷涂电镀工序
在已知的生产技术中喷涂电镀工序是在晶片的两面都喷涂一层镍层，然后在镍层上电镀镍锡层利于焊接，本实例的区别在于:在晶片的一面喷涂镍层，然后在镍层上电镀镍锡层(本实施例金属b材料选用金属镍);在晶片的另一面喷涂铝层(本实施例金属a材料选用金属铝)，然后在铝层上电镀铝锡层。工艺控制参数参照现有技术并根据最终转换效率改进，特别要注意的是喷涂铝层时应防止铝层表面氧化。
[0027]3.摆模工序
在已知的生产技术中摆模工序是把P型颗粒和η型颗粒按照一定的秩序排列摆置，另外由于所有的单个颗粒材料的镀层两端是对称的，所以所有单个颗粒是没有正反方向的。本实例的区别在于:因为只有一种材料颗粒，所以没有固定的秩序，但是每一个颗粒的镀层两端是不对称的，所以每一个颗粒都是有正反方向的，因此摆模的原则是保证所有颗粒同向串联连接。
[0028]4.陶瓷板金属化
陶瓷板的金属化可以采用现有技术中已知的方法制备。本实施例的特点在于陶瓷板的金属化图形应该根据摆模位置来设计。
[0029]上述实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行的描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域相关技术人员对本发明的各种变形和改进，均应扩入本发明权利要求书所确定的保护范围。
【主权项】
1.一种新型热电能量转化的结构，其特征在于，包括:金属a材料，金属b材料，半导体c材料，所述结构由所述三种材料串联连接组成闭合回路。
2.根据权利要求1所述的热电能量转化的结构，其特征在于:所述三种材料的费米能级值大小关系需满足下条件，如:金属a材料 > 半导体c材料 > 金属b材料，或金属a材料<半导体c材料〈金属b材料。
3.根据权利要求1所述热电能量转化的结构，其特征在于:所述金属a材料与所述半导体c材料是肖特基接触，所述金属b材料与所述半导体c材料是肖特基接触，所述金属a材料与所述金属b材料是欧姆接触。
4.根据权利要求3所述肖特基接触，其特征在于:所述肖特基接触是通过喷涂电镀方式获得功能型涂层。
5.根据权利要求1所述热电能量转化的结构，其特征在于:所述半导体c材料是热电材料。
6.根据权利要求5所述热电材料，其特征在于:所述热电材料选择参杂碲化铋材料，但不仅限于此例。
7.根据权利要求1所述热电能量转化的结构，其特征在于:所述热电能量转化的结构至少存在一个在实际应用的闭合回路中。
8.根据权利要求1所述热电能量转化的结构，其特征在于:所述结构用于制冷目的。
9.根据权利要求1所述热电能量转化的结构，其特征在于:所述结构用于发电目的。
【专利摘要】本发明公开了一种新型热电能量转化的示意结构，其结构包括金属a材料、金属b材料、半导体c材料。上述三种材料的费米能级大小需满足下条件，如：金属a材料>半导体c材料>金属b材料；上述三种材料串联连接构成闭合回路结构，回路中金属与半导体的交接面处存在肖特基势垒；当ac交接面和cb交接面处于一般热源处时，整个回路中会产生持续电流，所提供的热源会持续降温，但ab面的温度影响很小，无需散热，与传统的温差发电相比，本发明结构不需要温差条件存在，从而将热能高效的直接转化为直流电能，达到制冷和发电的目的。
【IPC分类】H01L35-34, H01L35-16, H01L35-32
【公开号】CN104638100
【申请号】CN201510092398
【发明人】蔡理洋
【申请人】蔡理洋
【公开日】2015年5月20日
【申请日】2015年3月2日