碲化鉍革新小型熱電轉換模塊制造方法成本降至三分之一
發布時間：2020-04-28 08:37:20文章來源：http://www.chinaindium.org/2014/0127/14909.html關注量：3965
松下開發出了碲化鉍（BiTe）基熱電轉換元件和模塊的新型制造方法，在實現元件和模塊小型化的同時，還降低了材料成本、增強了模塊強度，并且提高了生產效率。
在元件的小型化和降低材料成本方面，在發電性能相同的情況下，采用新方法制造的模塊的面積只有采用傳統方法制造的模塊的1/4，材料成本僅為其1/3。松下制造本部生產技術開發中心生產技術研究所熱電轉換項目主管技師前嶋聰介紹說，“過去，熱電轉換模塊之所以僅在冷卻用途普及，是因為其價格高。而此次的技術有望解決這一課題”?，F在，采用新型制造方法的量產技術也已經有了眉目，該公司的目標是在2014財年內使其投入實用。
利用玻璃管抽取
新方法是利用細玻璃管抽取在600℃以上的高溫下熔化的Bi和Te，然后通過冷卻使其結晶。玻璃管采用耐熱性強的高硼硅玻璃。結晶后，將晶體與玻璃管一同切割，利用貼片機安裝在電路板上制成模塊。
松下開發的BiTe基熱電發電模塊的新制造方法。利用直徑為0.8mm的細玻璃管吸取熔化的Bi和Te，冷卻后使其結晶。截斷后使用貼片機安裝在電路板上，將玻璃用作包裹元件的保護層。
這種制造方法具有許多優勢，最大的優點在于能夠在元件小型化的同時，提高材料的利用率。傳統方法要耗費大量時間使Bi和Te的熔融物冷卻并結晶，制成晶塊后還要切割成元件，切割元件時共需切割3次，因此，在推進元件小型化時，存在材料切割損耗太大的課題。而新方法只需切割1次，切割損耗很小，不僅可實現元件的小型化，材料成本還減少到了傳統方法的1/3。
與此同時，采用新方法后，模塊的強度和元件間的絕緣性也有所提升。這是因為吸取時使用的玻璃管直接成了包裹元件的保護層，改善了BiTe基熱電轉換模塊存在的小型化之后容易破碎的課題?！安⑶彝ㄟ^了為應用于車載用途而實施的振動試驗”。
除此之外，新方法還具備可縮短制造流程、大幅提高生產效率的優點。原因是冷卻是在玻璃細管內進行，晶體生長的速度比過去的晶塊快40倍。玻璃管的直徑雖然只有0.8mm，但是在量產時，通過同時使用多根玻璃管，生產效率有望得到提高。據介紹，模塊的月產量有望達到1萬個。
高溫區的發電性能也有所提高
新方法的優點還具有其他的優點，例如，有可能提高元件的發電性能。
松下通過第一性原理計算等方式，對BiTe基熱電轉換元件的發電性能進行了理論分析，圍繞制作尤其困難的n型Bi2Te3晶體進行研究，發現了利用該晶體發電的理想晶體結構，以及實現這種結構的載流子密度等條件（圖2），而且還找到了最適合發電的晶體取向，以及如何利用新方法實現這種晶體取向。舉例來說，如果使吸取速度放慢，溫度梯度的方向將與玻璃管平行，就會形成有利于發電的、晶體a軸容易生長的晶體取向。
松下通過第一性原理計算分析最適合發電的n型晶體構造，結果發現，使晶體的a軸與溫度梯度方向保持一致，能令性能指數提高到c軸與溫度梯度方向一致時的2.4倍。此次的方法有望實現與之相近的晶體取向。
用新方法制造的BiTe基元件設想用于高溫側為100℃左右、溫度相對較低的用途，而擁有最佳晶體結構的熱電元件則設想在幾百℃的高溫領域用途發揮威力。
還瞄準了車載和大型發電用途
松下準備將這種開發技術廣泛用于各種溫度區域和用途（圖3）。在低溫區設想的用途包括利用體溫和環境的熱量構筑無需電池的傳感器網絡，以及利用消費類產品內使用的半導體的熱能產生電能；在中高溫區的用途包括利用汽車發動機和尾氣的余熱以及工廠的廢熱來發電等。
松下為熱電元件以及新開發的技術設想的用途。在溫度低于150℃的低溫區可用于能量采集用途，在150℃以上的中高溫區設想的用途是大規模、大功率發電。
