具有增强最大温差的热电元件和装置的制作方法

本技术涉及具有分布式传输性质的热电元件和装置。

背景技术：

1、具有分布式传输性质(dtp)的材料在相同温度下在材料内的不同空间位置处具有变化性质(塞贝克系数、电阻率和热导率)。这个概念也被描述为功能梯度材料。由reich等人于1966年提交并且作为美国专利no.3564860于1971年发布的专利申请首次描述为利用分布式珀耳帖效应的材料要求保护“在所述热结与所述冷结之间沿其空间幅度具有不同热电性质”的材料，并且进一步陈述在冷结处的塞贝克系数的绝对值“显著小于在所述热结处的材料的塞贝克系数的绝对值”。

2、buist在“the extrinsic thomson effect(ete)“(international conferenceon thermoelectrics(cardiff，wales，1991))中将一种方式描述为非本征汤姆逊效应。在这篇文章中，他描述针对三级装置的测试结果，其具有最大温差中的高达20％增益。walczak、seifert和muller的小组进行建模研究，使用他们所说的如在“modeling ofsegmented peltier cool ing with discrete and continuous concentrationfunction”(materials science forum 492-493：507-516(2005))和“optimizationstrategies for segmented peltier coolers”(physica status solidi(a)203(8)：2128-2141(2006))中描述的功能梯度材料(fgm)效应，实现了10-20％的最大温差。他们声称在大于五级的情况下不能取得充分改进。korzhuev和nikhesina在“efficiency of low-grade heat recovery using various thermoelectric converters”(journal ofthermoelectricity no.1，4：63-70(2011))也描述创造“...20％以上”的改进的效果。研究fgm的kaliazin等人在“rigorous calculat ions related to functionally graded andsegmented thermoelectrics”(international conference on thermoelectrics(2001))中声明“实际性能系数实际上能够与由ioffe公式所给出的性能系数显著不同，特别在最高温度状况(regime)中”。semeniouk等人在“single stage thermoelectric coolers withtemperature difference of 80k”(international conference on thermoelectrics(st.petersburg,russia,1995))中描述通过提拉法制作具有两段中的分布式性质的装置，取得针对单级装置的83k的最大温差。bian和shakouri在“beating the maximum coolinglimit with graded thermoelectric materials”(applied physics letters 89:212101-1to-3(2006))中描述“冷却增强归因于焦耳加热和珀耳帖冷却分布的重新分布”。他们推断“能够取得具有相同zt的均匀材料的两倍以上的最大冷却温度”。

3、anatychuk和vikhor在“functionally graded materials and new prospectsfor thermoelectricity use”(international conference on thermoelectrics(1997))中描述用来产生功能梯度材料的不同方法，包括通过压制、挤压、区域熔化和提拉法。kuznetsov在“functionally graded materials for thermoelectric applications”(thermoelectrics handbook-macro to nano(d.m.rowe,editor,crc tatlor&francis,2006))中进一步描述使用布里奇曼法、提拉技术，等离子体喷射法、掺杂剂从气相的扩散、区域调平技术和包含不同掺杂剂量的粉末层的热压来制作功能梯度材料。他进一步推断功能梯度材料的效率对掺杂分布中的变化不敏感，“这意味着，沿材料长度的载流子浓度不必准确匹配最佳分布，以取得很接近其最大可能值的热电效率”。

技术实现思路

1、本文所提供的是基于空间变化的分布式传输性质的具有增强最大温差的热电元件和装置。

2、在一个方面下，本文所提供的是一种热电元件，该热电元件包括冷端、热端以及具有热端与冷端之间的长度的p型或n型材料。p型或n型材料具有本征塞贝克系数(s)、电阻率(ρ)和热导率(λ)。s、ρ和λ中的两个或更多个中的每个通常沿从冷端到热端的长度增加。

3、s、ρ和λ中的两个或更多个中的每个的增加可选地被选择，使得在最大性能系数(cop)下，描述冷端与热端之间的温度增加的曲线是凹的。

4、另外地或备选地，在一些配置中，s、ρ和λ中的全部三个中的每个通常沿从冷端到热端的长度增加。

5、另外地或备选地，在沿长度的第一位置处的s可选地是在沿长度的第二位置处的s的至少2.5倍。

6、另外地或备选地，p型或n型材料的截面面积可选地沿长度变化。

7、另外地或备选地，p型或n型材料的组成、掺杂、晶体结构或孔隙率可选地沿长度变化。

8、另外地或备选地，p型或n型材料可选地从由碲化铋、碲化铋铯和铋锑所组成的组中选取。

9、另外地或备选地，p型或n型材料可选地包括金属热电材料、有机热电材料或多孔硅。

10、在另一方面下，提供一种单级热电装置，该单级热电装置包括上述热电元件及其任何适当选项，例如上面所述。

11、在这样的热电装置中，s、ρ和λ中的两个或更多个中的每个的通常增加被选择，使得δtmax/th为至少0.2。

12、另外地或备选地，s、ρ和λ中的两个或更多个中的每个的通常增加被选择，使得为至少0.25。

13、另外地或备选地，截面面积中的变化可选地被选择，使得δtmax/th为至少0.3。

14、另外地或备选地，p型或n型材料的截面面积可选地沿长度变化。

15、在另一方面下，提供一种多级热电装置，该多级热电装置包括多个上述单级热电装置及其任何适当选项，例如上面所述。

16、在又一方面下，提供一种热电装置，该热电装置包括第一热电元件，该第一热电元件包括p型材料、热端、冷端以及热端与冷端之间的长度。第一热电元件具有本征塞贝克系数(sp)、电阻率(ρp)和热导率(λp)，其中sp、ρp和λp中的两个或更多个中的每个通常沿从冷端到热端的长度增加。该热电装置还包括第二热电元件，该第二热电元件包括n型材料、热端、冷端以及热端与冷端之间的长度。第二热电元件具有本征塞贝克系数(sn)、电阻率(ρn)和热导率(λn)，其中sn、ρn和λn中的两个或更多个中的每个通常沿从冷端到热端的长度增加。该热电装置还包括：第一电极，所述第一电极电耦合到第一热电元件的热端，并且电耦合到第二热电元件的热端；第二电极，所述第二电极电耦合到第一热电元件的冷端；以及第三电极，所述第三电极电耦合到第二热电元件的冷端。

17、可选地，sp、ρp和λp中的两个或更多个中的每个的通常增加以及sn、ρn和λn中的两个或更多中的每个的通常增加被选择，使得δtmax/th为至少0.33。

18、另外地或备选地，p型材料和n型材料的相应截面面积可选地沿长度变化。

19、另外第或备选地，p型和n型材料中的每个的组成、掺杂、晶体结构或孔隙率可选地沿长度单独变化。

20、另外地或备选地，在沿长度的第一位置处的sp是在沿长度的第二位置处的sp的至少2.5倍，以及在沿长度的第一位置处的sn是在沿长度的第二位置处的sn的至少2.5倍。

21、另外地或备选地，sp、ρp和λp中的两个或更多个中的每个的通常增加以及sn、ρn和λn中的两个或更多个中的每个的通常增加可选地被选择，使得δtmax/th为至少0.43。

22、另外地或备选地，在第一热电元件与第一电极或第二电极之间或者在第二热电元件与第一电极或第三电极之间的至少一个相应界面可选地被纹理化，以便降低界面电阻(interfacial resistance)。

23、另外地或备选地，热电装置可选地进一步包括电耦合到第二电极和第三电极的控制模块。可选地，控制模块被配置，以便使电流经由第二电极和第三电极串行通过第一热电元件、第一电极和第二热电元件。作为另外的选项，第一热电元件和第二热电元件相应地可选地配置成响应于电流而将热量从第二电极和第三电极泵送到第一电极。

24、另外地或备选地，热电装置可选地进一步包括：散热器(heat sink)，所述散热器热耦合到第一电极；以及冷却散热器(cold sink)，所述冷却散热器热耦合到第二电极和第三电极，散热器和冷却散热器生成第一热电元件和第二热电元件的相应热端与冷端之间的温度梯度。可选地，第一热电元件和第二热电元件相应地配置成响应于温度梯度而生成经过控制模块的电流和电压。