专利名称：热电转换装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种热电转换装置，且特别是涉及一种具有堆叠结构的热电转换装置。
背景技术：
由于能源短缺问题使得再生能源技术的发展成为重要议题，以汽车为例，引擎废 热约占车辆动力的三分之一，如能利用排气废热提供热电温差发电，便可以减少燃油的消 耗。此外，工厂与家庭排放大量废热，如何将废热回收重新利用，也是非常重要的课题。然 而，目前大部分的废热并无适当的回收技术，因此造成能源浪费。热电转换技术是近年来产业研发的重点技术之一，热电转换技术的工作原理是将 N型半导体材料和P型半导体材料联结成热电对，利用N型和P型半导体材料两端接触不同 温度，如此便能产生能量转移，在热电对中产生电流，称为塞贝克效应(Seebeck effect) 0 热电转换发电主要是利用N型和P型半导体材料两端的温差使热电对产生电流，因此热电 转换发电不会对环境造成污染，且热电转换发电的反应速率快。热电转换发电更可结合废 热回收的技术，将废热当作热电转换发电的热源，减少能源的浪费。另外，多个热电对可电 性串联并堆叠成热电转换装置，以符合不同的发电量需求。从另一个角度来看，热电转换装 置可将热能直接转换成电能，不需要透过类似引擎活塞的动件(moving part)，因此能够提 高热电转换装置的结构的可靠性。热电转换装置的制造可结合微机电及半导体工艺，大幅 缩小热电转换装置的体积。然而，热电转换发电在应用上最大的问题是热电转换效率有限。为了提高热电转 换装置的热电转换效率，可通过材料技术的研发，开发具有良好热电性质的热电材料。此 夕卜，由于目前热电转换装置的组装密度有限，热电转换装置的发电量因而受到限制，所以另 外一个提高热电转换效率的重要技术方向便是改良目前热电转换装置结构的设计，并增加 热电转换装置的组装密度，以提高热电转换装置的发电效能。
发明内容
本发明提供一种具堆叠结构的热电转换装置，其结构能够用以提高热电转换装置 的发电效能。 本发明提出一种热电转换装置，包括冷端基板、热端基板及堆叠结构。堆叠结构配 置于冷端基板与热端基板之间，且堆叠结构包括多个热电转换层，每一热电转换层分别排 列于堆叠结构中，该热电转换层包括热电对层、第一导电材料层与第二导电材料层、第一导 热不导电结构及第二导热不导电结构。该第一导电材料层包括多个第一导电材料，而该第 二导电材料层包括多个第二导电材料。该热电对层包括多个热电对且每一热电对包括P型 热电转换元件与N型热电转换元件，使第一导电材料分别电性连接于P型热电转换元件与N 型热电转换元件的上方，而第二导电材料分别电性连接于N型热电转换元件与相邻的P型 热电转换元件的下方，而两两热电对便以串联型式连接。第一导热不导电结构连接于相邻的两第一导电材料层间及该热端基板，并导热至第一导电材料层，使每一层的第一导电材料层维持在第一操作温度下。其中该第一操作温度为热端操作温度。第二导热不导电结构 则分别连接于相邻的两第二导电材料层间及该冷端基板，并导热至第二导电材料层，使每 一层的第二导电材料层维持在第二操作温度下，且第一操作温度不等于第二操作温度。其 中该第二操作温度为冷端操作温度。在本发明的实施例中，上述的第一导热不导电结构包括横向连接结构，该横向连 接结构包括多个相连的第一水平杆件，用以连接第一导电材料层。此外，第一导热不导电结 构还包括纵向连接结构，而该纵向连接结构包括多个第一支柱，这些第一支柱垂直地连接 于这些第一水平杆件之间。在本发明的实施例中，上述的第二导热不导电结构包括水平连接结构，该水平连 接结构包括多个相连的第二水平杆件，用以连接第二导电材料层。此外，第二导热不导电结 构还包括垂直连接结构，该垂直连接结构包括多个第二支柱，而这些第二支柱垂直地连接 于这些第二水平杆件之间。在本发明的实施例中，上述的这些第二水平杆件排列成网状结构，而第二导电材 料层配置于网状结构上。该网状结构可为几何形状。在本发明的实施例中，上述每一层的P型热电转换元件与N型热电转换元件以六 角形结构的型态交错排列。在本发明的另一实施例中，上述每一层的P型热电转换元件与N型热电转换元件 以四角形结构的型态交错排列在本发明的实施例中，上述的冷端基板的材料例如是硅基材、陶瓷基材或其他等 效基材。在本发明的实施例中，上述的热端基板的材料例如是硅基材、陶瓷基材或其他等 效基材。在本发明的实施例中，上述的热电对的材料例如是Bi2Te3、PbTe、Sb2Te3、SiGe或其 他等效材料。基于上述，本发明的热电转换装置能够透过第一导热不导电结构与第二导热不导 电结构传递热量，使每一层热电转换层的高温侧与低温侧的温差都能维持在相同的温差， 并使每一层的热电对层的温差亦几乎相同，以提高每一层热电转换层的发电量，进而提高 热电转换装置的发电效能。为让本发明之上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所图作详 细说明如下。
图1是本发明的实施例的热电转换装置的结构图。图2为图1的热电转换装置的侧视图。图3是本发明的另一实施例的热电转换装置的结构图。图4是图3的热电转换装置的侧视图。图5为图3的热电转换装置的简易俯视图。附图标记说明
10:热电转换装置12 热端基板14 冷端基板100 堆叠结构100a、100b、IOOc 热电转换层110a、110b、110c 热电对层114a =P型热电转换元件112a =N型热电转换元件120a、120b、120c 第一导电材料层130a、130b、130c 第二导电材料层140a、140b、140c 第一导热不导电结构140x:横向连接结构140y 纵向连接结构150a、150b、150c 第二导热不导电结构150x 水平连接结构150y 垂直连接结构al:第一导电材料a2:第二导电材料
具体实施例方式图1为本发明的实施例的热电转换元件的结构图，而图2为图1的热电转换元件 的侧视图。请参照图1及图2，本实施例的热电转换装置10，该热电转换装置10包括热端 基板12、冷端基板14及堆叠结构100。堆叠结构100配置于热端基板12与冷端基板14之 间，且堆叠结构100包括多个热电转换层100a、100b。其中，热电转换层IOOa包括热电对 层110a、第一导电材料层120a与第二导电材料层130a、第一导热不导电结构140a及第二 导热不导电结构150a。热电转换层IOOb包括热电对层110b、第一导电材料层120b与第二 导电材料层130b、第一导热不导电结构140b及第二导热不导电结构150b。每一热电转换 层IOOaUOOb排列于堆叠结构100中，本实施例仅以最上层的热电转换层IOOa说明如下， 至于热电转换层IOOb的说明如同热电转换层100a，故省略未提，不再赘述。如图1、2所示，本实施例的每一热电对层IlOa排列于热电转换层IOOa中，该热电对层1 IOa包括多个热电对且每一热电对包括N型热电转换元件112a与P型热电转换元件 114a。该热电对层IlOa的材料可包括例如Bi2Te3、PbTe、Sb2Te3或SiGe等半导体材料或是 纳米结构的热电材料。第一导电材料层120a包括有多个第一导电材料al，第一导电材料al 分别电性连接于热电转换层IOOa的热电对层IlOa的N型热电转换元件112a与P型热电 转换元件114a的上方。第二导电材料层130a包括有多个第二导电材料a2，第二导电材料 a2分别电性连接于热电转换层IOOa的热电对层IlOa的N型热电转换元件112a与相邻的 P型热电转换元件114a的下方。两两热电对便以串联型式连接。在上述的串联结构中，当 每一热电对处于温差状态时，P型热电转换元件114a中带有正电荷的空穴向下经由第二导 电材料层130a朝向N型热电转换元件112a移动，之后经由N型热电转换元件112a向上朝第一导电材料层120a移动，而到达另一个P型热电转换元件114a，依此类推，以产生电流。此外，第一导热不导电结构140a可连接热电转换层IOOa的第一导电材料层120a，主要作用是导热至热电转换层IOOa的第一导电材料层120a，使第一导电材料层120a几乎 可维持在第一操作温度(例如是热端操作温度)之下，进而将热电转换层IOOa中的第一导 电材料层120a与相邻的热电转换层IOOb中的第一导电材料层120b的温差降至最小。第二 导热不导电结构150a用以连接热电转换层IOOa的第二导电材料层130a，并导热至热电转 换层IOOa的第二导电材料层130a，使第二导电材料层130a可以维持在第二操作温度(例 如是冷端操作温度)之下，进而将热电对转换层IOOa中的第二导电材料层130a与相邻的 热电转换层IOOb中的第二导电材料层130b的温差降至最小，而且第一操作温度不等于第 二操作温度，以保持热端与冷端的温差。第一导热不导电结构140a与第二导热不导电结构 150a其材料可为导热性良好且不具导电性的材料，如此可以将热量分别有效地传递至第一 导电材料层120a与第二导电材料层130a，而不会影响每个热电对的发电效果。请继续参考图1，本实施例的第二导热不导电结构150a包括水平连接结构150x， 水平连接结构150x包括多个相连的水平杆件。此外，相邻的水平连接结构150x之间还有 垂直连接结构150y，其包括多个支柱。这些支柱垂直地连接于水平杆件之间，以维持在预 定高度内。值得一提的是，水平连接结构150x皆不与第一导电材料层120a、120b接触，仅 与第二导电材料层130a接触。因此，水平连接结构150x的温度不会影响第一导电材料层 120a、120b的温度，使热电转换层IOOa的第一导电材料层120a、第二导电材料层130a的温 差与热电转换层IOOb的第一导电材料层120b、第二导电材料层130b的温差可维持在相同 的温差。另外，在本实施例中，第一导热不导电结构140a包括横向连接结构140x以及多个 连接于横向连接结构140x之间的纵向连接结构140y。横向连接结构140x用以水平地连接 第一导电材料层120a，而纵向连接结构140y则可分别垂直地排列于四角形的网状结构之 中。横向连接结构140x包括多个水平杆件，而纵向连接结构140y包括多个支柱。这些支 柱垂直地连接于水平杆件之间，以维持预定的高度。如图1所绘示，热电转换装置10具有热端基板12与冷端基板14。其中，热端基板 12连接于立体化的第一导热不导电结构140a、140b，冷端基板14则连接于立体化的第二导 热不导电结构150a、150b。热端基板12的温度经由第一导热不导电结构140a、140b分别传 递到第一导电材料层120a、120b上，以维持在第一操作温度(例如是热端操作温度)，而冷 端基板14则是将温度经第二导热不导电结构150a、150b分别传递至第二导电材料层130a、 130b上，以维持在第二操作温度(例如是冷端操作温度)。热端基板12与冷端基板14的 材料例如是硅基材或陶瓷基材等高导热材料。图3为本发明的另一实施例的热电转换装置的结构图，而图4为图3的热电转换 装置的侧视图，图5为图3的热电转换装置的简易俯视图。本实施例的热电转换装置10包 括热端基板12、冷端基板14及堆叠结构100。堆叠结构100配置于热端基板12与冷端基 板14之间，且堆叠结构100包括多个热电转换层100a、100b、100c。其中，热电转换层IOOa 包括热电对层110a、第一导电材料层120a与第二导电材料层130a、第一导热不导电结构 140a及第二导热不导电结构150a。热电转换层IOOb包括热电对层110b、第一导电材料层 120b与第二导电材料层130b、第一导热不导电结构140b及第二导热不导电结构150b。热电转换层IOOc包括热电对层110c、第一导电材料层120c与第二导电材料层130c、第一导 热不导电结构140c及第二导热不导电结构150c。本实施例将针对三层热电转换层100a、 100b、100c、三层热电对层110a、110b、110c、三层第一导电材料层120a、120b、120c、三层第 二导电材料层130a、130b、130c、三层第一导热不导电结构140a、140b、140c、三层第二导热 不导电结构150a、150b、150c做说明。每一热电转换层100a、100b与IOOc排列于堆叠结构 100中，本实施例仅以最上层的热电转换层IOOa说明如下，至于热电转换层100b、100c的说 明如同热电转换层100a，故省略未提，不再赘述。热电对层IlOa排列于热电转换层IOOa中，热电对层IlOa包括多个热电对，每一 热电对包括P型热电转换元件114a与N型热电转换元件112a。热电对层IlOa的材料可包 括例如Bi2Te3、PbTe, Sb2Te3或SiGe等半导体材料或是纳米结构的热电材料。第一导电材 料层120a包括有多个第一导电材料al，第一导电材料al分别电性连接于热电对的P型热 电转换元件114a与N型热电转换元件112a的上方。第二导电材料层130a包括有多个第 二导电材料a2，第二导电材料a2分别电性连接于热电对的P型热电转换元件114a与N型 热电转换元件112a的下方，且为N型热电转换元件接P型热电转换元件，P型热电转换元 件接另一个N型热电转换元件，两两热电对便可以串联型式连接。在上述的串联结构中，当 每一热电对处于温差状态时，P型热电转换元件114a中带有正电荷的空穴向下经由第二导 电材料层130a朝向N型热电转换元件112a移动，之后经由N型热电转换元件112a向上朝 第一导电材料层120a移动，而到达另一个P型热电转换元件114a，依此类推，以产生电流。此外，第一导热不导电结构140a可连接热电转换层IOOa的第一导电材料层120a， 主要作用是导热至热电转换层IOOa的第一导电材料层120a，使第一导电材料层120a几乎 可维持在第一操作温度(例如是热端操作温度)之下，进而将热电转换层IOOa中的第一导 电材料层120a与相邻的热电转换层IOOb中的第一导电材料层120b的温差降至最小。第二 导热不导电结构150a用以连接热电转换层IOOa的第二导电材料层130a，并导热至热电转 换层IOOa的第二导电材料层130a，使第二导电材料层130a可以维持在第二操作温度(例 如是冷端操作温度)之下，进而将热电对转换层IOOa中的第二导电材料层130a与相邻的 热电转换层IOOb中的第二导电材料层130b的温差降至最小，而且第一操作温度不等于第 二操作温度，以保持热端与冷端的温差。第一导热不导电结构140a与第二导热不导电结构 150a其材料可为导热性良好且不具导电性的材料，如此可以将热量分别有效地传递至第一 导电材料层120a与第二导电材料层130a，而不会影响每个热电对的发电效果。请继续参考图3，本实施例的第二导热不导电结构150a包括水平连接结构150x， 水平连接结构150x包括多个相连的水平杆件。此外，相邻的水平连接结构150x之间还有 垂直连接结构150y，其包括多个支柱。这些支柱垂直地连接于水平杆件之间，以维持在预定 高度内。值得一提的是，水平连接结构150x皆不与第一导电材料层120a、120b、120c接触， 仅与第二导电材料层130a接触。因此，水平连接结构150x的温度不会影响第一导电材料 层120a、120b、120c的温度，使热电转换层IOOa的第一导电材料层120a、第二导电材料层 130a的温差、热电转换层IOOb的第一导电材料层120b、第二导电材料层130b的温差以及 热电转换层IOOc的第一导电材料层120c、第二导电材料层130c的温差可维持在相同的温 差。
不管是矩形或六角形结构，本发明的精神尚包括其它几何形状，其均为本发明的创作精神范围内所包括。如图3所示，第一导热不导电结构140a包括横向连接结构140x以及多个连接于横向连接结构140x之间的纵向连接结构140y。横向连接结构140x包括多个水平杆件，而 纵向连接结构140y包括多个支柱。这些支柱垂直地连接于相邻的水平杆件之间，以维持预 定的高度。每一横向连接结构140x水平地连接相邻的第一导电材料层120a，纵向连接结构 140y则分别垂直地配置于三角形或近似三角形的结构中，连接相邻的横向连接结构140x。 透过立体化的第一导热不导电结构140a的热传递，能使第一导电材料层120a的温度几乎 可维持在第一操作温度，即热端操作温度。如图5所示，第二导热不导电结构150a的水平连接结构150x可排列成六角形的 网状结构(由六个三角形或近似三角形结构连接而成)，热电对层IlOa的P型热电转换元 件114a与N型热电转换元件112a是以六角形结构的型态交错排列在水平连接结构150x 上。不管是矩形或六角形结构，本发明精神尚包括其它几何形状，均为本发明的创作精神范 围内所包括。如图3所绘示，热电转换装置10具有热端基板12与冷端基板14。其中，热端基板 12连接于立体化的第一导热不导电结构140a、140b、140c，冷端基板14则连接于立体化的 第二导热不导电结构150a、150b、150c。热端基板12的温度经由第一导热不导电结构140a、 140b、140c分别传递到第一导电材料层120a、120b、120c上，以维持在第一操作温度(例如 是热端操作温度)，而冷端基板14则是将温度经第二导热不导电结构150a、150b、150c分 别传递至第二导电材料层130a、130b、130c上，以维持在第二操作温度(例如是冷端操作温 度)。热端基板12与冷端基板14的材料例如是硅基材或陶瓷基材等高导热材料。举例来说， 冷端基板14的温度在45°C，则每一层的水平连接结构150a、150b、150c的温度为45_48°C 时，每一层的第二导电材料层130a、130b、130c的温度也维持在45-48°C左右。而热端基板 12的温度在80°C，每一层的第一导电材料层120a、120b、120c的温度保持在70 80°C，因 第一导电材料层120a与第二导电材料层130a的温差，亦即任一 P型及N型热电转换元件 的上方与下方的温差是维持在30°C左右，每一层几乎维持在相同的温差。反之，已知的堆叠 结构因上、下层的导热结构相互接触而呈现明显的梯度变化，例如80度、65度、55度、45度 等，故无法维持已知各层的第一导电材料层与第二导电材料层在相同的温差，且每一层温 差维持在10-15°C之间，效果较差。综上所述，本发明的热电转换装置利用第一导热不导电结构使每一层第一导电材 料层的热量可相互传递降低温度梯度，并利用第二导热不导电结构使每一层的第二导电材 料层的热量相互传递降低温度梯度，如此便能够让热电转换层上方及下方的第一导电材料 层与第二导电材料层几乎可保持相同的温度差，提高热电转换装置的发电效能。虽然本发明已以实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域 中普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的 保护范围当视所附的权利要求界定为准。
权利要求
一种热电转换装置，包括冷端基板；热端基板；以及堆叠结构，配置于该冷端基板与该热端基板之间，该堆叠结构包括多个热电转换层，而该些热电转换层分别包括热电对层，设置于该热电转换层中，该热电对层包括多个热电对，且每一热电对包括P型热电转换元件与N型热电转换元件；第一导电材料层，包括多个第一导电材料，每一第一导电材料分别连接该热电对的P型热电转换元件与N型热电转换元件的上方；第二导电材料层，包括多个第二导电材料，每一第二导电材料分别连接于该热电对的P型热电转换元件与N型热电转换元件的下方，以使两两热电对以串联型式连接；第一导热不导电结构，连接于相邻的第一导电材料层间及该热端基板；以及第二导热不导电结构，连接于相邻的第二导电材料层间及该冷端基板。
2.如权利要求1所述的热电转换装置，其中该第一导热不导电结构导热至该第一导电 材料层，以使每一层的第一导电材料层维持在第一操作温度下；以及该第二导热不导电结 构导热至该第二导电材料层，以使每一层的第二导电材料层维持在第二操作温度下，且该 第一操作温度不等于该第二操作温度。
3.如权利要求2所述的热电转换装置，其中该第一操作温度为热端操作温度，该第二 操作温度为冷端操作温度。
4.如权利要求1所述的热电转换装置，其中该第一导热不导电结构包括横向连接结 构，该横向连接结构包括多个相连的第一水平杆件，用以连接该第一导电材料层。
5.如权利要求4所述的热电转换装置，其中该第一导热不导电结构还包括纵向连接结 构，而该纵向连接结构包括多个第一支柱，该些第一支柱垂直地连接于该些第一水平杆件 之间。
6.如权利要求1所述的热电转换装置，其中该第二导热不导电结构包括水平连接结 构，而该水平连接结构包括多个相连的第二水平杆件，用以连接该第二导电材料层。
7.如权利要求6所述的热电转换装置，其中该第二导热不导电结构还包括垂直连接结 构，而该垂直连接结构包括多个第二支柱，该些第二支柱垂直地连接于该些第二水平杆件 之间。
8.如权利要求6所述的热电转换装置，其中该些第二水平杆件排列成网状结构，而该 第二导电材料层配置于该网状结构上。
9.如权利要求8所述的热电转换装置，其中该网状结构为几何形状。
10.如权利要求1所述的热电转换装置，其中每一层的P型热电转换元件与N型热电转 换元件以六角形结构的型态交错排列。
11.如权利要求1所述的热电转换装置，其中每一层的P型热电转换元件与N型热电转 换元件以四角形结构的型态交错排列。
12.如权利要求1所述的热电转换装置，其中该冷端基板的材料包括硅基材或陶瓷基材。
13.如权利要求1所述的热电转换装置，其中该热端基板的材料包括硅基材或陶瓷基材。
14.如权利要求1所述的热电转换装置，其中该些热电对的材料包括Bi2Te3、PbTe, Sb2Te3 或 SiGe0
全文摘要
本发明公开了一种热电转换装置，其包括冷端基板、热端基板及堆叠结构，堆叠结构配置于冷端基板与热端基板之间。堆叠结构包括多个热电转换层，每一热电转换层包括热电对层、第一导电材料层与第二导电材料层、第一导热不导电结构及第二导热不导电结构。每一热电转换层分别排列于堆叠结构中。第一导电材料层包括有多个第一导电材料，第一导电材料设置于P型与N型热电转换元件的上方。第二导电材料层包括有多个第二导电材料，第二导电材料设置于P型与N型热电转换元件的下方。第一导热不导电结构分别连接于相邻的两第一导电材料层间，而第二导热不导电结构分别连接于相邻的两第二导电材料层间。
文档编号H01L35/02GK101840989SQ20091012822
公开日2010年9月22日 申请日期2009年3月18日 优先权日2009年3月18日
发明者余致广, 冯树匀, 刘君恺, 谢明哲 申请人:财团法人工业技术研究院