热电装置和制品及其应用
【专利说明】热电装置和制品及其应用
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求享有2013年3月14日提交的美国临时专利申请序列号N0.61/783，709和2013年4月4日提交的美国临时专利申请序列号N0.61/808，472依据35 U.S.C.§ 119(e)的优先权，其全部内容通过引用结合于本文中。
技术领域
[0003]本发明涉及热电材料并，具体而言，涉及装置、制品、和引入热电材料的织物。
【背景技术】
[0004]热能广泛应用于发电。然而，通过现有方法将热能转换成电能的效率却较低，范围为约30%?40%。因此，显著大量的热能作为废物逃逸到环境中。据估计，年度全球生产的电力约15太瓦的能量损失至环境中。
[0005]热电材料能够操作用于捕获热量而另外增加电力生产。热电效率通过优值系数(Figure of Merit)、ZT 量化。
[0006]表现出较高的ZT值的热电材料具有较高的热电效率。制作具有合理ZT值的热电材料往往是很困难的和/或昂贵的。铋的硫族元素化合物，例如，能够提供具有范围为0.7?I的ZT值的卓越热电性能。这些材料能够进行纳米结构化而产生交替Bi2TejP Bi2Se3层的超晶格结构，导致产生具有可接受电导率和较差导热性的材料。这些材料的制作，不过，可能是费时和昂贵的。
[0007]此外，由于制作要求和其他材料容差，许多热电材料并不会使其自身轻易并入广泛的各类器件中进行集热发电。
【发明内容】
[0008]在一个方面中，本文描述了一种热电装置，其在一些实施方式中能够克服或减轻一个或多个当前热电材料的缺点。在一些实施方式中，本文中描述的热电装置包括至少一个偶联至至少一个η-型层而提供ρη结的P-型层，和至少部分设置于P-型层和η-型层之间的绝缘层，P-型层包括碳纳米颗粒而η-型层包括η-掺杂碳纳米颗粒。P-型层的碳纳米颗粒能够是P-掺杂的。P-型层的纳米颗粒和/或η-型层的纳米颗粒能够设置于包括电极化聚合物的聚合物基质中。另外，绝缘层能够包括表现出压电行为的电极化聚合物或电极化颗粒，如钛酸钡(BaT13)颗粒，碲化铋颗粒(BiTe)，其它无机颗粒或其混合物。
[0009]本文中所述装置的电极化聚合物和/或压电颗粒能够包括非随机取向的电偶极和/或电偶极域。而且，电极化聚合物和/或颗粒也能够表现出平行或基本平行于热电装置中电流流动的轴线取向的电偶极场以及表现出压电/热电行为。本文中描述的电极化组分的压电和/或热电性质(piezoelectric/pyroelectric properties)能够容许热电装置掺入这种组分而提供除了由暴露于热梯度所产生的电输出之外还由于机械变形所产生的电输出。
[0010]在一些实施方式中，本文中描述的热电装置包含偶联至多个η-型层而提供多个ρη结的多个P-型层，和至少部分设置于P-型层和η-型层之间的绝缘层，其中至少一个P-型层包含碳纳米颗粒而至少一个η-型层包含η-掺杂碳纳米颗粒。热电装置的P-型层、η-型层和/或绝缘层能够包含电极化聚合物。另外，P-型层和η-型层能够设置成堆叠构造，绝缘层处于这二者之间。
[0011]正如本文中进一步所述，ρη结能够形成于P-型层和η-型层的界面上。在一些实施方式中，界面过渡区存在于通过P-型层接触η-型层而形成的ρη结上。界面过渡区包含混有η-型层的纳米颗粒的P-型层的纳米颗粒。P-型和η-型层的纳米颗粒的混合能够提供异质结构的Pdt另外，金属中间层能够设置于ρη结的P-型层和η-型层之间。另外，本文中描述的装置的Pn结能够起到与本文中描述的电极化的聚合物基质的压电和/或热电行为相关的电压输出的整流器(rectifier)作用。
[0012]在本文中描述的热电装置的一些实施方式中，包含P-掺杂的和η-掺杂的碳纳米管的碳纳米颗粒能够用一种或多种无机半导体纳米颗粒代替。在一些实施方式中，无机半导体纳米颗粒包括IV族材料，H/VI族材料或III/V族材料或其组合。在一些实施方式中，无机半导体纳米颗粒包括量子点(quantum dot)和/或纳米线(nanowire)。在一些实施方式中，无机半导体纳米颗粒具有与任何本文中描述的碳纳米颗粒一致的尺寸。
[0013]在另一方面中，本文中描述的光热装置包括光伏部件和热电部件，热电部件包括至少一个偶联至至少一个η-型层而提供ρη结的P-型层，和至少部分设置于P-型层和η-型层之间的绝缘层，P-型层包括碳纳米颗粒而η-型层包括η-掺杂碳纳米颗粒。在一些实施方式中，P-型层的纳米颗粒和/或η-型层的纳米颗粒设置于包括电极化聚合物的聚合物基质之中。另外，绝缘层能够包括表现出压电行为的电极化聚合物或电极化颗粒。
[0014]而且，在一些实施方式中，热电部件包含多个偶联至多个η-型层而提供多个ρη结的P-型层，和至少部分设置于P-型层和η-型层之间的绝缘层。正如本文中所述，PU结能够包括由混有η-型层的纳米颗粒的P-型层的纳米颗粒形成的异质界面过渡区。另外，金属中间层能够设置于ρη结的P-型和η-型层之间。
[0015]光热装置能够进一步包括位于光伏部件和热电部件之间的斯托克斯迀移层(Stokes shift layer)。斯托克斯迀移层包含一种或多种可用于产生向热电部件的紙邻侧面传输的热能的斯托克斯迀移化学物质。在一些实施方式中，斯托克斯迀移化学物质吸收穿过光伏部件的电磁辐射。
[0016]另外，在一些实施方式中，通过一种或多种斯托克斯迀移化学物质发射的辐射被光伏部件吸收。
[0017]在另一方面中，本文中描述了制作热电装置的方法。在一些实施方式中，制作热电装置的方法包括:提供至少一层包括设置于第一聚合物基质中的碳纳米颗粒的P-型层，提供至少一层包括设置于第二聚合物基质中的η-掺杂碳纳米颗粒的η-型层，将绝缘层布置于P-型层和η-型层之间，和将P-型层和η-型层偶联而提供ρη结。第一聚合物基质和/或第二聚合物基质能够进行电极化而在第一和/或第二聚合物基质中提供至少部分对齐排列的偶极域。另外，绝缘层能够进行电极化而在绝缘层中提供至少部分对齐排列的偶极域。绝缘层的偶极域能够包括表现出压电行为的结晶或半结晶域的聚合物材料和/或离散颗粒，如BaT13颗粒。极化作用能够包括沿着P-型层和/或η-型层的长度压装一种或多种相互交错的阵列和向阵列施加极化电压。P-型层和η-型层偶联而提供ρη结，能够在P-型和η-型层的界面上形成异质界面过渡区。此外，金属中间层能够位于结位置上的P-型和η-型层之间。
[0018]在本文中描述的方法的一些实施方式中，提供并相互偶联多个P-型层和η-型层而导致形成多个ρη结。在一些实施方式中，绝缘层位于P-型层而η-型层之间，其中P-型层和η-型层为堆叠构造。堆叠的P-型层、η-型层和/或绝缘层的聚合物能够包括电极化聚合物或电极化压电颗粒。
[0019]在另一方面中，本文描述了制作光热装置的方法。在一些实施方式中，制作光热装置的方法包括提供光伏部件，提供热电部件并偶联光伏部件和热电部件，热电部件包括至少一个偶联至至少一个η-型层而提供ρη结的P-型层，和至少部分设置于P-型层和η-型层之间的绝缘层，P-型层包括碳纳米颗粒而η-型层包括η-掺杂碳纳米颗粒。在一些实施方式中，热电部件包含多个偶联至多个η-型层而提供多个正如本文中所述的ρη结的P-型层。
[0020]在一些实施方式中，制作光热装置的方法进一步包括将斯托克斯迀移层置于光伏部件和热电部件之间。
[0021]在另一方面中，本文中描述了将电磁能转化成电能的方法。在一些实施方式中，将电磁能转化成电能的方法包括提供包括光伏部件和偶联至光伏部件的热电部件的装置，热电部件包括至少一个偶联至至少一个η-型层而提供ρη结的P-型层，和至少部分设置于P-型层和η-型层之间的绝缘层，P-型层包括碳纳米颗粒而η-型层包括η-掺杂碳纳米颗粒。电磁辐射被光伏部件吸收而提供光电流并加热热电部件的一个侧面，引发横跨热电部件的电压。而且，在一些实施方式中，热电部件的至少一个P-型层的纳米颗粒和/或至少一个η-型层的纳米颗粒设置于电极化聚合物基质之中。另外，热电部件的绝缘层能够包括电极化聚合物和/或电极化压电颗粒。
[0022]在一些实施方式中，加热热电部件的一个侧面包括将光伏部件中产生的热量传递至热电部件的一个侧面。另外，在一些实施方式中，加热热电部件的一个侧面包括在光伏部件和热电部件之间提供斯托克斯迀移层，采用斯托克斯迀移层吸收电磁辐射而产生热量和电磁辐射并将所产生的热量传递至热电部件的一个侧面。在一些实施方式中，通过斯托克斯迀移层产生的电磁辐射传播给光伏部件而产生光电流。
[0023]在还有的另一方面中，本文中描述的热电制品，在一些实施方式中，能够克服或减轻当前热电制品的一个或多个缺点。例如，在一些实施方式中，本文中描述的制品能够用于有效地将热能转化成电能，包括在制品设置于非平面表面或复杂几何形状的表面上时。在一些实施方式中，本文中描述的热电制品能够用作或引入到服装制品中。本文中描述的制品能够也能够用作电子器件如移动电话或平板设备的外壳。而且，在一些实施方式中，本文中描述的制品能够按照适形或基本适形的方式设置于人用户的皮肤或电子器件的表面上或与之接触而使热电制品能够由通过人体或电子器件产生的过量热量产生电能。
[0024]在一些实施方式中，本文中描述的制品包含热绝缘载体和热电模块，热电模块由围绕或穿过热绝缘载体而在热绝缘载体的相对两侧面上提供热电模块的外面(face)的结构形成。在一些实施方式中，热电模块的结构是连续的。连续的结构能够是导电性的。而且，连续的结构可以包括偶联至η-型层而形成ρη结的P-型层，其中绝缘层部分设置于P-型层和η-型层之间。另外，在一些实施方式中，在热电模块的外面上的P-型层和η-型层基本平行于热绝缘载体的相对两侧面。另外，围绕或穿过绝缘载体的热电模块的一段连续结构能够基本正交于热电模块的至少一个外面。
[0025]本文中描述的热电模块结构的P-型层能够包括碳纳米颗粒，而同时结构的η-型层包括η-掺杂碳纳米颗粒。而且，P-型层的碳纳米颗粒能够是P-掺杂的。P-型层的纳米颗粒和/或η-型层的纳米颗粒也能够设置于电极化聚合物的聚合物基质中。另外，本文中描述的热电模块结构的绝缘层能够包括表现出压电行为的电极化聚合物或电极化颗粒，如钛酸钡(BaT13)颗粒，碲化铋颗粒(BiTe)，其它无机颗粒或其混合物。
[0026]本文中描述的结构的电极化聚合物和/或压电颗粒能够包括非随机取向的电偶极和/或电偶极域。电极化聚合物和/或颗粒也能够表现出平行或基本平行于在热电模块的电流流动的轴线向取向的电偶极场以及表现出压电/热电行为。本文中描述的电极化组分的压电和/或热电性质能够容许制品引入到这种组分而提供除了由暴露于热梯度所产生的电输出之外还由机械变形产生的电输出。
[0027]在另一方面中，本文中描述了热电织物。在一些实施方式中，本文中描述的织物包含本文中以上描述的热电制品，其中制品的热绝缘载体包含织物的一种或多种纤维。例如，在一些实施方式中，本文中描述的织物包含一种或多种热绝缘纤维和由围绕或穿过热绝缘纤维而在热绝缘纤维的相对两侧面上提供热电模块的外面的结构形成的热电模块。
[0028]在还有的另一方面中，本文中描述了制作制品的方法。在一些实施方式中，制作制品的方法包括提供热绝缘载体并将热电模块的结构围绕或穿过热绝缘载体而在热绝缘载体的相对两侧面上提供热电模块的外面。在一些实施方式中，热电模块的结构是连续的。而且，连续的热电模块结构包含偶联至η-型层而形成ρη结的P-型层，其中绝缘层部分设置于P-型层和η-型层之间。另外，在热电模块的外面上的P-型层和η-型层能够基本平行于热绝缘载体的相对两侧面。而且，热绝缘载体能够是织物的一种或多种纤维。
[0029]而且，将热电模块的结构围绕或穿过热绝缘载体能够进一步包括提供基本正交于热电模块的至少一个外面的一段热电结构。另外，在一些实施方式中，制品的热电模块能够并行连接(并联)。
[0030]在另一方面中，本文中描述了产生电能的方法。在一些实施方式中，将热能转化成电能的方法包括提供包括热绝缘载体和热电模块的制品，热电模块由围绕或穿过热绝缘载体而在热绝缘载体的相对两侧面上提供热电模块的外面的结构形成。热能通过热电模块吸收而引发横跨热电模块的电压。另外，制品的热电模块，在一些实施方式中，表现出压电/热电性质而使得响应制品上的机械波动或应力产生电能。
[0031]这些和其它实施方式在以下的详细描述中更加详细地进行描述。
【附图说明】
[0032]图1示出了根据本文中描述的一种实施方式的热电装置或热电模块的放大侧面透视图。
[0033]图2示出了根据本文中描述的一种实施方式的热电装置或热电模块的透视图。
[0034]图3示出了根据本文中描述的一些实施方式的聚合物基质中的各种碳纳米管负载率的塞贝克系数值(Seebeck coefficient value) ο
[0035]图4示出了根据本文中描述的一种实施方式的光热装置。
[0036]图5示出了根据本文中描述的一种实施方式的热电装置的侧面放大图。
[0037]图6示出了根据本文中描述的一种实施方式的热电装置或热电模块的ρη结的异质界面过渡区。
[0038]图7示出了本文中描述的热电装置或热电模块的极化的聚合物复合膜的电压输出和通过复合膜形成的ρη结对这种输出的整流。
[0039]图8示出了根据本文中描述的一种实施方式的热电制品的平面图。
[0040]图9示出了沿着线9-9选取的图8制品的横截面视图。
[0041]图10示出了根据本文中描述的一种实施方式的制品的透视图。
【具体实施方式】
[0042]本文中描述的实施方式通过参照以下的详细说明、实施例和附图能够更容易被理解。然而，本文中描述的元件、装置和方法并不限于详细描述中的【具体实施方式】、实施例和附图。应当认识到，这些实施方式只是本发明原理的举例说明。对于本领域技术人员而言，不脱离本发明的精神和范围的情况下许多修改和改变将是显而易见。
[0043]另外，本文中公开的所有范围应该理解为涵盖任何和所有归入的子范围。例如，所陈述的范围“1.0?10.0”应该认为包括以最小值1.0或更大值开始并以最大值10.0或更小的值结束的任何及所有子范围，例如，I?5.3，或4.7?10，或3.6?7.9。
[0044]此处公开的所有范围，除非另外明确指出，也应该认为包括所述范围的端点。例如，“5?10”的范围一般应该认为包括端点5和10。
[0045]此外，当短语“高达(up to)”结合数量使用时，应该理解的是，所述数量是至少可检测的量。例如，按照“高达”指定数量存在的物质能够从可检测的数量至高达和包括所述指定的数量存在。
[0046]1.热电装置
[0047]在一个方面中，本文中描述了热电装置。本文中描述的热电装置包含至少一个偶联至至少一个η-型层而提供ρη结的P-型层，和至少部分设置于P-型层和η-型层之间的绝缘层，P-型层包括碳纳米颗粒而η-型层包括η-掺杂碳纳米颗粒。在一些实施方式中，P-型层的碳纳米颗粒是P-掺杂的。P-型层的纳米颗粒和/或η-型层的纳米颗粒能够设置于包括电极化聚合物的聚合物基质中。另外，绝缘层能够包括表现出压电行为的电极化聚合物或电极化颗粒。本文中描述的装置的电极化聚合物和/或压电颗粒能够包括非随机取向的电偶极和/或电偶极域。而且，电极化聚合物和/或颗粒能够也表现出平行或基本平行于热电装置中电流流动的轴线取向的电偶极场以及表现出压电/热电行为。本文中描述的电极化组分的压电和/或热电性质能够容许热电装置引入这种组分而提供除了由暴露于热梯度所产生的电输出之外还由机械变形产生的电输出。
[0048]另外，在一些实施方式中，本文中的热电装置的P-型层，η-型层或绝缘层表现出热电场。热电场能够具有与本发明的目的不矛盾的任何取向。例如，热电场能够平行或基本平行于装置中电流流动的轴线进行取向。
[0049]在一些实施方式中，本文中描述的热电装置包含多个偶联至多个η-型层而提供多个ρη结的P-型层，和至少部分设置于P-型层和η-型层之间的绝缘层，其中至少一个P-型层包含碳纳米颗粒而至少一个η-型层包含η-掺杂碳纳米颗粒。另外，P-型层、η-型层或绝缘层能够包括电极化聚合物。在一些实施方式中，本文中描述的热电装置的P-型层和η-型层为堆叠构造。
[0050]正如本文中所述，使P-型层和η-型层接触而产生ρη-结。在一些实施方式中，界面过渡区存在于通过P-型层接触η-型层形成的ρη结处。界面过渡区包含P-型层和η-型层混合的纳米颗粒。P-型和η-型层的纳米颗粒的混合能够提供异质结构的ρη结。图6示出了根据本文中描述的一个实施方式的热电装置的ρη结的异质界面过渡区。
[0051]另外，金属中间层能够设置于ρη结的P-型层和η-型层之间。金属中间层能够由与本发明的目的一致的任何金属构成。例如，金属中间层能够由包括金，铂，铱，钯，锇，银，铑或钌，或其合金的贵金属构成。金属中间层也可以由铝，镍，铜，其它过渡金属或过渡金属合金形成。而且，金属中间层可以由表现出金属属性有机材料如石墨或石墨烯构成。
[0052]金属中间层能够起到销连接层(pinning layer)的作用。销连接层，在一些实施方式中，销连接费米级的毗邻η-型层和P-型层。而且，本文中描述的销连接层能够能级上匹配于η-型层或P-型层。
[0053]在一些实施方式中，本文中描述的热电装置的ρη结能够起到与装置的极化聚合物构造结构的压电和/或热电行为相关的电压输出的整流器作用。图7示出了本文中描述的热电装置中采用的极化压电薄膜的整流作用。提供包括碳纳米管的电极化PVDF膜并悬浮于10 6托(torr)的真空系统中，而冷块(cold block)连接到膜的