温差发电装置的制作方法

本发明属于薄膜热电器件技术领域，具体涉及一种温差发电装置。

背景技术：

热电转换技术是利用半导体材料的塞贝克(seebeck)效应和珀尔帖(peltier)效应将热能和电能直接转换的技术，具有无噪声、无有害物质排放、可靠性高、寿命长等一系列优点，在工业余废热的利用和移动分散式热源利用等方面有难以取代的作用。

热电材料的性能与塞贝克系数α，电导率σ和热导率κ三个参数有关，用热电优值zt(zt=α²σt/κ)这一无量纲参数描述。

实际应用中，将热电材料加工成热电器件。热电器件的性能用输出电压来表征，其计算公式为v=nαδt。其中，v代表器件的输出电压值，n代表热电偶对的对数，α代表材料的塞贝克系数，δt代表集冷热两端的温差。

基于热电材料本身的特性，制造成本高，转换效率低，限制了温差电池的大规模使用。而近年来，薄膜温差电池的研究成为了温差器件领域的重要研究方向之一，期望应用于便携式电子产品和可穿戴电子产品。

目前，薄膜热电器件主要的热传导方向是垂直于基片（即、热电薄膜）表面，制备方式简单，因此大部分热电产品都是基于此结构制备的。但是此结构带来的问题是无法消除的大量热辐射，由于热电薄膜垂直方向只有500nm~100μm的高度差，p型和n型热电薄膜虽然具有较小的热导率，但是冷端与热端非常接近，热端的热辐射热量已经接近了由热电薄膜本身传导的热量，无法保持冷端与热端的温度差，因此虽然热电薄膜具有较高的优值和转换效率，但是较小的温度差使在实际应用中的温差电池的输出功率仍较小。

另外，对于一些具有各向异性的热电材料（如大部分有机薄膜材料），其在平行于基片（薄膜）的电阻显著低于垂直方向的电阻，在平行于基片（即、热电薄膜）表面的方向具有更优异的电、热输运。

技术实现要素：

发明要解决的问题：

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种能够有效地保持热电模块的温差，从而提高温差发电装置的性能的温差发电装置。

解决问题的手段：

为实现如上发明目的，本发明提供的一种温差发电装置，具有：集热器，所述集热器为底部热板；热电转换材料，包括沿着所述底部热板的延伸方向交替间隔排列的、具有取向性且取向方向平行于所述延伸方向的p型热电转换材料和n型热电转换材料；绝热绝缘层，设于所述热电转换材料与所述底部热板之间；电极，电连接相邻的所述p型热电转换材料与n型热电转换材料，所述热电转换材料的侧面与所述电极的侧面电、热接触。

根据本发明的温差发电装置，能够使热传导方向平行于基片（热电材料），能够有效保持热电器件冷端与热端的温度差，并有效利用横向取向热电转换材料（如大部分有机薄膜材料）在横向方向上低的电阻，提高器件转换效率，最终实现在可穿戴电子能源领域的应用。

进一步地，所述底部热板包括各自表面带有凸起柱的集热基板和散热基板，其中所述凸起柱各自朝向内侧凸出设置。上下基底和凸起柱是一体同材质的，也就是集热基板和散热基板，共同用于集热和散热。

优选地，所述p型/n型热电转换材料与底部热板的凸起柱之间的接触为紧密电、热接触。

进一步地，所述绝热绝缘层还包括设于所述凸起柱之间的填充部分。

进一步地，所述集热器为良导热体，包括铜，铝，铜-铝合金，或白钢。

进一步地，所述热电转换材料为有机热电薄膜材料，且形成为取向方向平行于所述延伸方向的薄型热电模块，所述薄型热电模块运作的温差范围为-50-70℃。薄膜温差发电器件如果一般用于可穿戴设备，一端温度为人体体温，一般为37℃左右，另一端温度为外界环境温度，视不同地区而定）。

进一步地，所述绝热绝缘层的材料为玻璃纤维棉，聚氨酯，酚醛树脂，发泡硅胶，或气凝胶；厚度在0.1-5mm之间。

进一步地，所述绝热绝缘层的铺设方式为波纹型铺设。且该绝热绝缘层可与底部集热及散热基板平行铺设。

进一步地，所述电极在所述凸起柱的稍端的高度与所述热电转换材料的厚度一致。

进一步地，所述凸起柱的宽度在1-4mm之间；长度在1-8mm之间。

进一步地，所述凸起柱的近端间隔距离在2-20mm之间；远端间隔距离在2-6cm之间。

发明效果：

本发明能够有效地保持热电模块的温度差，并有效利用横向取向热电薄膜（如大部分有机薄膜材料）在横向方向上低的电阻，从而提高温差发电装置的转换效率。

附图说明

图1是本发明温差发电装置一实施形态的三维结构示意图；

图2是图1所示温差发电装置的结构剖视示意图；

图3是图2的温差发电装置左侧剖面的结构示意图；

图4是图2的温差发电装置右侧剖面的结构示意图；

图5是图2的温差发电装置俯视剖面的结构示意图；

图6是本发明温差发电装置一实施形态的集热器的三维结构示意图；

图7是本发明温差发电装置的温差及形成的电流、电压示意图；

图8是本发明温差发电装置的实施例的输出电压、电流曲线及输出功率；

图9是本发明温差发电装置的实施例的热传导示意图；

符号说明：

1集热器；

1a上衬底；

1b下衬底；

1c上衬底凸起柱；

1d下衬底凸起柱；

2绝热绝缘层；

3热电转换材料；

4电极。

具体实施方式

以下结合实施例附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握。

针对现有技术中的种种缺陷，本发明旨在提供一种能够有效地保持热电模块的温差，从而提高温差发电装置的性能的温差发电装置。而且对于一些横向取向的热电材料（如大部分有机薄膜材料），其在平行于基片（薄膜）的电阻显著低于垂直方向的电阻。若热传导方向是平行于基片（薄膜）表面，则不仅可以有效保持冷端与热端的温度差，而且可以提高器件的转换效率。因此，如何设计和制造热传导方向平行于基片（薄膜）表面的薄膜热电器件成为解决上述应用难题，实现薄膜温差电池进一步发展的关键。

如图1所示，本发明提供了一种热传导方向平行于基片（热电材料）的温差发电装置，由集热器1、绝热绝缘层2、热电转换材料3和电极4组成。在本实施形态中，集热器1为底部热板，如图6所示，包括各自表面带有凸起柱1c、1d的上、下衬底1a、1b（即集热基板和散热基板），且各自凸起柱1c、1d形成为分别朝向内侧凸出的长条凸起，这些长条状凸起沿着集热基板/散热基板纵深方向延伸。绝热绝缘层2包括热电转换材料3与集热器1之间的隔层。且，如图1所示，该绝热绝缘层2还包括集热器表面的相邻近距离的凸起柱1c或1d之间的填充部分。热电转换材料3为具有取向性的热电转换材料，平行设置于集热基板和散热基板之间，且p型与n型热电薄膜在横向交替间隔排列；电极4为具有高导热性能的导电材料，使相邻p型和n型热电薄膜实现电连接。热电转换材料3的侧面与电极4的侧面紧密电、热接触。本实施形态中，热电转换材料3可为有机热电薄膜材料，且形成为取向方向平行于集热器延伸方向的薄型热电模块，该薄型热电模块运作的温差范围为-50-70℃。

如图1所示，是本发明温差发电装置的核心三维结构示意图。作为本发明的优选实施例，该温差发电装置应用于柔性可穿戴生活用品。具有集热器、绝热层、夹在绝热层之间的热电转换材料及电极组成。

从图示可见，上述集热器以优良导热体作为集热基板，且集热基板上设计有一体形成的长条凸起柱1c（如图5俯视剖面图所示，被电极4覆盖的位置），宽度通常在1-4mm之间，优选2mm。集热基板长条凸起柱的长度通常在1-8mm之间，优选5mm。电极为高导热和导电的材料，如图1所示，沿着两个长条凸起柱的稍端及两个长条凸起柱之间呈u型涂覆，并且所述电极在长条凸起柱的稍端的高度与热电转换材料3的厚度一致，通常在500nm-1mm之间。如图6所示，底部长条凸起柱的近端间隔距离在2-20mm之间，优选10mm。远端间隔距离在2-6cm之间，优选4cm。

与集热基板对应的良导热体，作为散热基板，同样设计有一体形成的长条凸起柱1d，宽度通常在1-4mm之间，优选2mm。散热基板长条凸起的长度通常在1-8mm之间，优选5mm。电极为高导热和导电的材料，如图1所示，沿着两个长条凸起柱的稍端及两个长条凸起柱之间呈u型涂覆，并且所述电极在长条凸起的稍端的高度与热电转换材料3的厚度一致，通常在500nm-1mm之间。如图6所示，底部长条凸起的近端间隔距离在2-20mm之间，优选10mm。远端间隔距离在2-6cm之间，优选4cm。

上述散热基板的外表面可设于可穿戴产品的外表，以常规风冷或气体流动等环境散热致冷为主。

而且，以上所述集热基板与散热基板的取向热电薄膜的侧面分别与上下衬底电极的侧面紧密电、热接触。热电薄膜与上下衬底之间由绝热层实现隔离，绝热层的厚度通常在0.1-5mm之间，优选为2mm，且上述绝热层材料为波浪式分布。

实施例

如图5所示，本发明p型热电薄膜左侧的温度与集热基板的温度相当，p型热电薄膜右侧的温度与散热基板的温度相当，热电薄膜两端的温度差接近集热基板与散热基板之间的温度差δt，在p型热电薄膜横向方向形成电压v1。

同样的，在n型热电薄膜左侧的温度与散热基板的温度相当，n型热电薄膜右侧的温度与集热基板的温度相当，热电薄膜两端的温度差接近集热基板与散热基板之间的温度差δt，在n型热电薄膜横向方向形成电压v2。

像这样地，不断地串联以此增大输出电压。通过保证集热基板与散热基板之间形成10-70℃的温差，可以实现温差发电装置电压的有效输出；并且，对于横向取向的热电薄膜，可以降低取向热电薄膜的横向电阻，从而有效提高温差发电装置的输出电压及效率。

实施例如图6及图7所述所示，以取向导电聚合物聚3-己基噻吩为p型热电薄膜，取向聚乙烯四硫醇镍为n型热电薄膜，所述两对p型/n型热电薄膜在温差为40℃时的输出电压-电流曲线及输出功率如图所示。输出电流为0.18ma时，输出功率达到2.7μw。若将多个热电模块串、并联集成，则可大幅提高输出电压、电流，增大输出功率，实现薄膜温差电池的发展应用。

本发明不限定于上述实施形态，在不脱离本发明的主旨的范围内可进行各种变形。例如，所述集热器的集热基板与散热基板可以为相同材料的导热体，也可以为不同材料的导热体，只要满足本发明所要求的温差范围即可。