一种提升热电发电机输出性能并缓解寄生损失的方法与流程

本发明属于集成电路，尤其涉及一种提升热电发电机输出性能并缓解寄生损失的方法。

背景技术：

1、近年来，以bi2te3为代表的室温热电材料尚未有新的突破，其zt值一般在1.0附近，一些性能较好的材料(zt～1.6)还未投入商用。尽管碲化铋基器件在制冷领域有着广泛的应用，但是备受关注的发电领域却受限于性能低而处于利基应用范畴。热电发电机的理论输出性能由材料决定，但是实际输出性能是由材料和各部分组件耦合产生，其中，材料的长径比、接触电阻、接触热阻、电极厚度、陶瓷板材质以及填充率等因素对实际输出都有影响。

2、常见的商用器件在较高温度梯中(50k以上)尚能满足一些供能需求，但是在低温差工况下，尤其是在室温附近，该类型器件很少有实际应用。这种器件在研发阶段一般都涉及上述关于材料长径比、接触电阻、接触热阻以及电极厚度的优化。如图1所示，①②分别为p型和n型碲化铋基材料，其横截面积和高度分别a和l；③为接触层，电流和热流均要通过该接触面；④为电极，一般为铜材质。长径比(l/a)的优化，主要是在权衡开路电压与内阻的关系。l/a越大，梯度温度越大，则输出电压就越大，但是随着l/a增大，材料的阻值也在增大。因此，寻找一个合适的l/a值是必要的，这也是当下最为常见的优化手段。接触优化和电极厚度优化均是为了缓解热损和电损，而且选择一个导热性能好的绝缘基板对于投入实际应用以及产品化都有很大的意义。

3、总结以上方法的思路：尽可能地完全释放材料的理论性能，大幅度减少能量损失。尽管以上方法都是科学而且有效的，但是考虑到使用工况以及部分材料具有脆性特点，其实际尺寸并不能按照理论的长径比设计；而且，良好的接触往往都需要成本高、难度大以及过程繁琐的技术实现。

4、增加材料颗粒的横截面积以降低器件内阻从而缓解热辐射损失，也被认为是一种提升热电发电机性能的方法。该方法可归结为填充率效应，即填充率越大输出功率就越大，如公式(1)所示。该公式考虑到了填充率(f)、陶瓷板面积(a)、材料高度(l)、材料横截面积(a)、接触电阻率(ρc)、接触热导率(κc)、单个电极阻值(re)、实际温差(t0)、接触层厚度(lc)以及材料的性能参数(赛贝克系数α、热导率κ和电阻率ρ)对最大输出功率的影响。

5、

6、该方法在实验上得到验证，随着材料横截面积的增加，其最大输出功率确实也呈上升趋势，但是这一结果与期望的“pmax与f呈线性关系”相差甚远，其原因在于绝大部分电能被电路中的寄生电阻损耗。

7、综上，在优化热电发电机性能的方法中，提升输出性能和缓解能量损失都是分别进行的。以上方法在实验室内尚可进行，也能实现质变，但是投入实际生产甚至应用还有很长的路要走。以材料为基础，如果长径比的优化能够引起有效温差发生质变，那么高密度的材料颗粒串联形成的大电压就是量变，但是针对不同的温差和颗粒密度的情况，以往的方法在实验样品上却很少涉及。接触优化是一门难度系数大、成本高以及过程繁琐的工程，尽管烧结和电镀等工艺可以有效缓解接触电阻和接触热阻，但是实际生产中还是以钎焊工艺为主。

8、鉴于此，亟需一种既可以提升输出性能又可以缓解能量损失的方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于：为了克服现有技术问题，公开了一种提升热电发电机输出性能并缓解寄生损失的方法，通过本发明方法提升了热电材料颗粒密度从而增加了填充率，使得根据本方法制备的热电发电机由于高填充率而具有高性能，且实现同条件下更小的电路电流值和更低的寄生损耗。

2、本发明目的通过下述技术方案来实现：

3、一种提升热电发电机输出性能并缓解寄生损失的方法，所述方法包括如下步骤：

4、s1：热电发电机覆铜电路板的制备步骤，

5、s2：p型/n型半导体材料颗粒的制备步骤，

6、s3：焊接及封装步骤，将p型和n型材料颗粒交替地焊接于步骤s1制得的热电发电机覆铜电路板之上，并完成电路板边缘的绝缘封装。

7、根据一个优选的的实施方式，步骤s1包括：对陶瓷板进行磁控覆铜、电镀增厚、热转印电路、蚀刻以及清洗，从而制得预设计的电路板。

8、根据一个优选的的实施方式，步骤s1制得的电路板每平方厘米内的电极数目≥21个。

9、根据一个优选的的实施方式，步骤s1中电镀增厚为：通过电镀的方式使陶瓷板上覆铜厚度h1至200μm；

10、根据一个优选的的实施方式，步骤s2包括将将p型和n型基锭体切割成高度＞2mm的圆片，再电镀阻挡层ni以及焊接层sn；最后将圆片切割成预设尺寸的颗粒。

11、根据一个优选的的实施方式，步骤s2还包括对圆片进行打磨抛光，使得圆片高度差≤0.02mm且圆片高度h2≥2mm。

12、根据一个优选的的实施方式，步骤s3具体包括：

13、将p型及n型材料颗粒交替且间隔均匀地放置于托盘中，各颗粒位置及间隔与覆铜电路板匹配；

14、钢网印刷0.15mm的焊料，并确保电路板电极与各材料颗粒吻合接触，然后再进行回流焊接；最后在器件边缘进行绝缘封装。

15、前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。

16、本发明的有益效果：

17、本发明方法通过提升热电材料颗粒密度从而增加了填充率，使得根据本方法制备的热电发电机由于高填充率而具有高性能，且实现同条件下更小的电路电流值和更低的寄生损耗。

18、在室温附近小温差环境下，使得基于本方法制备的热电发电机表现出输出功率高、开路电压大、机械性能好、接触损耗以及电路损耗低等优势。

技术特征：

1.一种提升热电发电机输出性能并缓解寄生损失的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的提升热电发电机输出性能并缓解寄生损失的方法，其特征在于，步骤s1包括：

3.如权利要求1所述的提升热电发电机输出性能并缓解寄生损失的方法，其特征在于，步骤s1制得的电路板每平方厘米内的电极数目≥21个。

4.如权利要求1所述的提升热电发电机输出性能并缓解寄生损失的方法，其特征在于，步骤s1中电镀增厚为：通过电镀的方式使陶瓷板上覆铜厚度h1至200μm。

5.如权利要求1所述的提升热电发电机输出性能并缓解寄生损失的方法，其特征在于，步骤s2包括将将p型和n型基锭体切割成高度＞2mm的圆片，再电镀阻挡层ni以及焊接层sn；最后将圆片切割成预设尺寸的颗粒。

6.如权利要求5所述的提升热电发电机输出性能并缓解寄生损失的方法，其特征在于，步骤s2还包括对圆片进行打磨抛光，使得圆片高度差≤0.02mm且圆片高度h2≥2mm。

7.如权利要求1所述的提升热电发电机输出性能并缓解寄生损失的方法，其特征在于，步骤s3具体包括：

技术总结
本发明公开了一种提升热电发电机输出性能并缓解寄生损失的方法，所述方法包括如下步骤：S1：热电发电机覆铜电路板的制备步骤，S2：P型/N型半导体材料颗粒的制备步骤，S3：焊接及封装步骤，将P型和N型材料颗粒交替地焊接于步骤S1制得的热电发电机覆铜电路板之上，并完成电路板边缘的绝缘封装。通过本发明方法提升了热电材料颗粒密度从而增加了填充率，使得根据本方法制备的热电发电机由于高填充率而具有高性能，且实现同条件下更小的电路电流值和更低的寄生损耗。

技术研发人员：任广坤,田宇,魏智杰,方雯,刘寅可,郑哲
受保护的技术使用者：中国工程物理研究院材料研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15