制备热电元器件的方法及热电元器件的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于热电材料与器件领域，涉及一种工艺简单、容易控制的直接制备中空热电样品的方法。更具体地说，涉及一种制备热电元器件的方法及热电元器件。
【背景技术】
[0002]热电技术能够将热转化为电，反之亦然。这种环境友好的技术相对于其它的技术有许多优点，例如无机械部件从而使用时无噪音，维修量少。与以前的诸如在军事、医疗和空间应用上不同，热电技术应用最近已经转移到汽车和工业废热的发电方面。许多工业和交通过程伴随着由于化石燃料燃烧而产生的废热，化石燃料价格的上升以及对环境的破坏作用促进了改进能量效率和降低二氧化碳排放的努力。
[0003]严重的事情是大量的废热排入大气，且绝大部分的温度低于一般的回收发电技术所需的温度。而热电发电技术提供了一个机遇将废热转化成电。热电装置在涉及尺寸、可靠性和无需维护等诸因素方面具有竞争优势。
[0004]热电技术的实现是通过热电模块完成的。目前，大部分的热电模块是平板状，η型和P型元件通过电串联和热并联相连接，所有元件介于两块陶瓷板之间，陶瓷板的作用是电绝缘和导热以及维持模块的基本强度。这种构型已经存在三十多年，在制冷领域被证明是一个非常好的结构。然而，这种构型因如下原因不适合热电发电。首先，平板形状不适合径向热流，在这种情况下，许多平板状的热电模块必须附着在柱形热源的周围，所以发电系统变得比较复杂；第二，平板状的模块不适合附着在大的曲面或不平的平面上；第三，平板状模块不能很好适应异形热源的表面，热接触不好。所以，制备较易适合热源表面形状的热电模块非常重要。
[0005]为了最大程度地满足热电发电的要求，一些研究者开发了新型的热电发电器。Westinghouse Electric Corporat1n (威斯丁豪斯电气公司)第一个提出了关于管状热电模块的概念(Proceeding of4th Intersoc Energy Couvers Eng.Conf.WashingtonDC, 1969, New York, 1969，300-307)。管状模块包含圆形热电堆、内热导体、电绝缘部分和连接热电堆的材料。2007 年，Gao 和 Rowe [Min Gao and DM Rowe, Ring-structuredthermoelectric module (环结构的热电模块)，Semicond.Sc1.Technol.2007, 22, 880-883]开发了一种新颖的管状的热电发电模块。这种模块包含四个圆形的热电元件，性能可以用输出功率随着温差变化来表示。整个装置包含两个同心管:内管是一个热电集成体，热源可以从中心流过；外管是一种普通管子，可以让冷的流体通过。作者声称管状热电模块的性能可以与通常的平板状模块相比，但在径向热流的废热发电场合具有优势。美国专利US4056406报告了一种可以消除管状模块中切变应力的方法。美国专利US6096966提出了管状模块可以不采用焊料焊接，从而这种模块可以在比较高的温度下使用。W02006/004059和US2009/0133734A1也报道了类似的管状热电模块。
[0006]然而，对于诸如六边形和多边形等异形热电元件(所述元件包括中间层和电极)的制备，本领域尚未开发出工艺过程简单可控，制备的异形元件尺寸精确，表面质量好的制备方法。
[0007]因此，本领域迫切需要开发出一种工艺过程简单可控，制备的异形元件尺寸精确，表面质量好的制备诸如六边形和多边形等异形热电元器件的方法。
【发明内容】
[0008]本发明提供了一种新颖的制备热电元器件的方法及热电元器件，从而解决了现有技术中存在的问题。
[0009]一方面，本发明提供了一种制备热电元器件的方法，该方法包括:
[0010](a)提供大量的热电材料片或者热电元件片，每片具有至少一个预定的形状；
[0011](b)将多个热电材料片或者热电元件片排列成一个预定的组合，并将所述多个热电材料或者热电元件片连接以形成一个热电材料段或者热电元件段；
[0012](C)重复步骤(b)以产生大量的段；以及
[0013](d)将所述大量的段连接在一起以产生一个用于热电元器件的预定的构型。
[0014]在一个优选的实施方式中，该方法还包括通过对可烧结的粉末进行烧结工艺以使得各个热电材料片或者热电元件片呈现所述形状来形成各个热电材料片或者热电元件片。
[0015]在另一个优选的实施方式中，所述烧结工艺包括将可烧结的粉末置于构造为所述形状的模具中，并对可烧结的粉末进行加压、保温和通电流来制备大量的热电材料片或者热电元件片。
[0016]在另一个优选的实施方式中，所述可烧结的粉末包括至少以下一种:(i) 一种热电成分；(ii)Bi2Te3; (iii)PbTe; (iv)方钴矿；(V)Yba3CO4Sb12 方钴矿；(vi)娃化物热电材料；(vii)Half-Heusler 热电材料；(viii) (GeTe) 0 85 (AgSbTe2)0 15(TAGS)热电材料；(ix)氧化物热电材料；(X)津特尔(Zintl)热电材料；和(xi)笼形化合物(clathrate)热电材料。
[0017]在另一个优选的实施方式中，所述烧结工艺选自:压力烧结、放电等离子烧结和热压烧结。
[0018]在另一个优选的实施方式中，所述预定的构型包括至少以下一种:圆柱体、中空圆柱体、棱柱体、中空棱柱体、三角柱、中空三角柱、平行六面体柱、中空平行六面体柱、五角棱柱、中空五角棱柱、六方柱、中空六方柱、八方柱和中空八方柱。
[0019]在另一个优选的实施方式中，连接多个热电材料片或者热电元件片以形成一个段的步骤包括在相邻的片的啮合面之间放置一种导热导电的材料并固化该材料以将相邻的片严密地连接在一起。
[0020]在另一个优选的实施方式中，将所述大量的段连接在一起的步骤包括将所述大量的段堆叠在一起，并在相邻的段之间插入分隔体以将所述热电材料或者热电元件形成为预定的构型。
[0021]在另一个优选的实施方式中，所述相邻的段由各自的大量的热电材料片或者热电元件片形成，而这些各自的大量的热电材料片或者热电元件片中的材料是由含有η-掺杂剂和P-掺杂剂的不同的半导体构成的。
[0022]在另一个优选的实施方式中，所述预定的构型是中空结构，其内表面由各个段和片的表面的各自部分的第一聚集体限定，其外表面由各个段和片的表面的各自部分的第二聚集体限定。
[0023]在另一个优选的实施方式中，该方法还包括:
[0024]将一种导电电极材料施加在所述中空结构的内表面的至少一部分上；以及
[0025]将一种导电电极材料施加在所述中空结构的外表面的至少一部分上。
[0026]在另一个优选的实施方式中，位于所述中空结构的内表面上的导电电极材料是热端和冷端中的一个，而位于所述中空结构的外表面上的导电电极材料是热端和冷端中的另一个。
[0027]另一方面，本发明提供了一种热电元器件，它包括:
[0028]大量的热电材料片或者热电元件片，每一片具有至少一个预定的形状；
[0029]多个段，每一段包含各自的大量的热电材料片或者热电元件片，多个热电材料片或者热电元件片排列成一个预定的组合并连接在一起，其中，所述多个段连接在一起以产生用于热电器件的预定的构型。
[0030]在一个优选的实施方式中，所述预定的构型包括至少以下一种:圆柱体、中空圆柱体、棱柱体、中空棱柱体、三角柱、中空三角柱、平行六面体柱、中空平行六面体柱、五角棱柱、中空五角棱柱、六方柱、中空六方柱、八方柱和中空八方柱。
[0031]在另一个优选的实施方式中，所述大量的段堆叠在一起，并包括在相邻的段之间插入的各个分隔体以将所述热电材料或者热电元件形成为预定的构型。
[0032]在另一个优选的实施方式中，所述相邻的段由各自的大量的热电材料片或者热电元件片形成，而这些各自的大量的热电材料片或者热电元件片中的材料是由含有η-掺杂剂和P-掺杂剂的不同的半导体构成的。
[0033]在另一个优选的实施方式中，所述预定的构型是中空结构，其内表