,Z.A.&Ganeshamoorthy? K.J.Thermal investigat1ns of microelectronics chip withnon-uniform power distribut1n:temperature predict1n and thermal placementdesign optimizat1n.Microelectronics Internat1nal 21，29-43，2004)或是具有特殊成分的焊锡，将热电池的热端电极(铝或铜等)与金刚石薄膜相连接；或是通过光刻模板法和物理气相沉积法在金刚石薄膜上先沉积一层金属(如铬、金、钛、铝、银等)，再用焊锡等与热电池热端电极连接，保持良好的接触。连接薄膜型热电池时，可用模板法先后在金刚石薄膜上直接沉积金属电极(热端电极)和P/n型半导体热电材料，如商用成分的Bi (Sb)-Te(Se)合金系统。再依次连接热电池的冷端电极和生长有金刚石薄膜的金属散热器相连接。
[0050]热电池的冷端电极可以使用导热良好的金属(铜、铝等)，如采用文献描述的方法制备(On-chip cooling by superIattice-based thin-film thermoelectrics，NatureNanotechnology，4，235，2009)。热电池的冷端电极再连接散热材料(热电池散热端)，散热端材料可以利用金刚石薄膜的绝缘性和高导热性，即采用生长有?10nm金刚石薄膜的硅片、硅块或是金属钼片、钼块等，再用焊锡或导热胶与热电池的冷端电极相连接，保持良好接触。散热端可以通过风冷或是循环水冷的方法将热电池的余热导出。
[0051]本发明碳纳米纤维/金刚石复合薄膜也可以用于光伏/热电复合电池。热电池与光伏电池直接物理接触串联使用时，热电池可以直接吸收利用光伏电池不能吸收利用的红外波段能量(光伏电池较薄时，部分太阳光可以穿透)；热电池也可以利用光伏电池发电时产生的余热(高能激发的热载流子弛豫过程产生的热能)进行发电。碳纳米纤维/金刚石复合薄膜材料可以作为光伏/热电复合电池的中间层，有效地吸收太阳能红外波段或是光伏电池的余热能量并传递给热电池，进一步提高光-热-电能量转化器件的效率。
[0052]产品测试
[0053]太阳能光热电压-电流测试
[0054]测试方法:使用氙灯作光源模拟太阳光照射，使用Keithley 4200半导体性能测试仪记录热电池电压-电流特性曲线。测试时对比面积大小相同的应用碳纳米线/金刚石复合薄膜的热电池(以下简称复合型样品)、连接表面粗糙的普通铜片的热电池(以下简称普通型样品)、连接涂有石墨(炭黑)/铜片的普通热电池(以下简称石墨型样品)的光热电压-电流性能。测试时光源距离样品的高度保持一定，入射光功率密度不变。热电池的冷端通过循环冷却水保持在20°C恒定。三种样品中使用的热电池成分、大小和P/N型热电材料的数量完全一样，均为商用Bi(Sb)-Te型和B1-Te (Se)型。
[0055]测试结果:以普通型样品作为参考态，石墨型样品的光热开路电压和峰值功率增加并不明显，分别为?3%和?10% ;复合型样品的光热开路电压和峰值功率增加十分明显，分别为>15%和>50% ο
【主权项】
1.一种碳纳米纤维/金刚石复合薄膜材料，其特征在于:该复合薄膜材料包括金刚石薄膜层、金属层和碳纳米纤维层，其中:所述金刚石薄膜层的一侧表面具有凹槽结构，所述金属层沉积于所述凹槽的槽底，所述碳纳米纤维层生长在金属层上并填充于所述凹槽内。2.根据权利要求1所述的碳纳米纤维/金刚石复合薄膜材料，其特征在于:所述金刚石薄膜层的厚度多50 μπι，所述金刚石薄膜层的晶粒粒度多50 μm ;所述金属层的厚度为20-50nm ;所述碳纳米纤维层的厚度为5_10 μm，所述碳纳米纤维为直线形碳纳米纤维。3.根据权利要求1所述的碳纳米纤维/金刚石复合薄膜材料，其特征在于:所述凹槽结构是指多个凹槽平行排布于金刚石薄膜层表面，凹槽间距为20-30 μ m。4.根据权利要求1所述的碳纳米纤维/金刚石复合薄膜材料，其特征在于:所述金属层为Cu、Fe、Ni或Co纯金属，或者金属层为Cu、Fe、Ni或Co的合金。5.根据权利要求2所述的碳纳米纤维/金刚石复合薄膜材料，其特征在于:所述碳纳米纤维层的光吸收率多99.5%，金刚石薄膜层的热导率大于1000W/m.K，碳纳米纤维面密度4?8g/m2，碳纳米纤维/金刚石复合薄膜材料垂直于薄膜表面方向的热导率彡850W/m.K06.根据权利要求1所述的碳纳米纤维/金刚石复合薄膜材料，其特征在于:该复合薄膜材料的制备方法包括如下步骤: (1)金刚石薄膜层的制备: 在抛光的硅片基底上，用化学气相沉积法制备金刚石薄膜，然后将其浸泡在75°C的浓度为20wt.%的KOH溶液中，浸泡12小时后剥离硅片基底获得自支撑金刚石薄膜； (2)在金刚石薄膜表面制备凹槽结构； (3)在凹槽槽底沉积金属层:沉积方法为电子束蒸发-沉积法、热蒸发法或磁控溅射法; (4)金属层上生长碳纳米纤维层: 在CVD反应腔内进行碳纳米纤维的生长，生长条件为:气压500mbar，温度250°C，生长时间10-20分钟；生长结束后，将反应器抽真空至1\102!1*&1升温至800°(:退火，退火时间为I小时，从而在金属层上生长碳纳米纤维层并填充于凹槽内，获得所述碳纳米纤维/金刚石复合薄膜材料。7.根据权利要求6所述的碳纳米纤维/金刚石复合薄膜材料，其特征在于:步骤(I)中，所述化学气相沉积法选择微波等离子体化学气相沉积法或热丝化学气相沉积法；所述微波等离子体化学气相沉积法中:微波功率为500-3500瓦，气压为5-lOOTorr，原料气体为甲烷和氢气，原料气体中甲烷含量1-1Ovol.% ;所述热丝化学气相沉积法中:灯丝温度为1800-2200K，气压为5-30Torr，原料气体为甲烷和氢气，原料气体中甲烷含量1-1Ovol.%。8.根据权利要求6所述的碳纳米纤维/金刚石复合薄膜材料，其特征在于:步骤(I)中，所述抛光的硅片基底其粗糙度小于5nm，硅片基底厚度300-500 μ m，所述硅片基底为带有掺杂的p/n型娃片。9.将权利要求1所述复合薄膜材料作为热电池的能量转换器件的应用，其特征在于:将所述碳纳米纤维/金刚石复合薄膜材料作为热电池的能量转换器件，该能量转换器件的碳纳米纤维层吸收太阳光并转化成热能传输给金刚石薄膜层后，再传输给热电池中热电材料产生电能。10.根据权利要求9所述的碳纳米纤维/金刚石复合薄膜材料作为热电池能量转换器件的应用，其特征在于:所述热电池是由两个电极及设置于两电极之间的热电材料形成，与所述热电池能量转换器件组装时，热电池的一个电极作为热端电极，另一个电极作为冷端电极；所述能量转换器件与热电池的组装方式为:将碳纳米纤维层作为吸热端，直接吸收太阳光能量或者通过光伏电池吸收热量；将金刚石薄膜层作为散热端，并通过介电薄膜层实现与热电池的热端电极的连接。
【专利摘要】本发明公开了一种碳纳米纤维/金刚石复合薄膜材料及其作为热电池能量转换器件的应用，利用微波等离子体技术在普通硅片基底上沉积金刚石薄膜；利用20％KOH溶液刻蚀掉硅基底，制备自支撑金刚石薄膜；通过电子束蒸发-沉积法或磁控溅射法在金刚石薄膜上沉积金属薄膜，再在金属薄膜上生长碳纳米纤维层。该方法生长的碳纳米纤维在近乎全太阳光波段内具有很高的吸收率，可将太阳辐射能转化成热能；而金刚石薄膜基底具有很好的热导率，能将碳纳米纤维吸收的热量快速传导给半导体热电能量转换材料，集成太阳能-热电池器件，实现高效率的太阳能-电能转换。该发明具有良好的工业应用前景及基础科学研究价值。
【IPC分类】H01L35/22
【公开号】CN105633263
【申请号】CN201410709618
【发明人】姜辛, 邰凯平, 庄昊, 黄楠, 邱建航
【申请人】中国科学院金属研究所
【公开日】2016年6月1日
【申请日】2014年11月30日