CN105932150A - 一种Sb基柔性薄膜温差电池及其制造方法 - Google Patents

一种Sb基柔性薄膜温差电池及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种Sb基柔性薄膜温差电池及其制造方法，制造方法包括步骤：A、采用磁控共溅射技术，在第一柔性衬底上制备P型ZnSb热电薄膜；以及采用磁控共溅射技术，在第二柔性衬底上制备N型CoSb热电薄膜；B、在P型ZnSb热电薄膜上镀制第一电极层；在N型CoSb热电薄膜上镀制第二电极层；C、采用导电铝箔连接P型ZnSb热电薄膜上的第一电极层和N型CoSb热电薄膜上的第二电极层。本发明具有如下优点：1、制备方法流程简单，可大面积生产。2、选用材料成本低，可简单制造成本。3、制备出的温差电池性能优越，可大规模的推广应用。

Description

一种Sb基柔性薄膜温差电池及其制造方法
技术领域
本发明涉及物理电源技术领域，尤其涉及一种Sb基柔性薄膜温差电池及其制造方法。
背景技术
目前，全球常规化石能源的大量使用已经造成愈演愈烈的能源危机和气候变暖问题，所以迫切需要积极推进和提倡使用洁净的可再生能源。温差电池是适用范围很广的绿色环保型能源，其利用热电材料的热电效应将热能和电能直接相互耦合、相互转换，实现发电，具有无噪声、无有害物质排放、可靠性高、寿命长等一系列优点，其在余热废热发电和移动分散式热源利用等方面有难以取代的作用，但是基于热电材料本身的特性，其制造成本高，转换效率低，限制了温差发电机组的大规模使用。
近年来研究发现，将热电材料薄膜化可提高材料的热电性能，且二维的薄膜材料，可以根据需要独立制成热电器件，而且更易实现微型化热电器件，具有传统热电材料所不能比拟的优势。因此，对于薄膜温差电池的研究成为了温差器件领域的重要研究方向之一。
目前高性能薄膜热电材料的制备工艺复杂，需进一步的简化，同时目前已经商用的热电材料富含Bi、Te等稀有金属材料，价格昂贵，需通过新材料的研发，减低制备成本。除此之外，热电薄膜器件仍受传统的工艺器件制造技术和封装技术的限制，微型化的器件在与一些特殊器件符合过程中存在较大的难题，目前这些难题尚无法得到解决。因此，获取新型的热电薄膜，提高热电薄膜热电材料性能、降低制造成本以及简化制造技术，是实现薄膜温差电器件大规模使用的关键所在。
因此，现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种Sb基柔性薄膜温差电池及其制造方法，以提高热电薄膜热电材料性能、减低制造成本以及简化制造技术。
本发明的技术方案如下：
一种Sb基柔性薄膜温差电池的制造方法，其中，包括步骤：
A、采用磁控共溅射技术，在第一柔性衬底上制备P型ZnSb热电薄膜；
以及采用磁控共溅射技术，在第二柔性衬底上制备N型CoSb热电薄膜；
B、在P型ZnSb热电薄膜的两端镀制第一电极层；在N型CoSb热电薄膜的两端镀制第二电极层；
C、采用导电铝箔连接P型ZnSb热电薄膜一端的第一电极层和N型CoSb热电薄膜一端的第二电极层，并在P型ZnSb热电薄膜另一端的第一电极层和N型CoSb热电薄膜另一端的第二电极层引出电极。
所述的Sb基柔性薄膜温差电池的制造方法，其中，在P型ZnSb热电薄膜的第一电极层上还镀制有第一保护层；在N型CoSb热电薄膜的第二电极层上还镀制有第二保护层。
所述的Sb基柔性薄膜温差电池的制造方法，其特征在于，所述第一保护层和第二保护层均为Mo材质。
所述的Sb基柔性薄膜温差电池的制造方法，其中，选用ZnSb作为半导体合金靶以及In作为单质金属靶材，在第一柔性衬底上制备In掺杂的P型ZnSb热电薄膜。
所述的Sb基柔性薄膜温差电池的制造方法，其中，选用CoSb作为半导体合金靶以及In作为单质金属靶材，在第二柔性衬底上制备In掺杂的N型CoSb热电薄膜。
所述的Sb基柔性薄膜温差电池的制造方法，其中，所述第一电极层和第二电极层均为Cu电极。
一种Sb基柔性薄膜温差电池，其中，采用如上所述的制造方法制造而成。
所述的Sb基柔性薄膜温差电池，其中，P型ZnSb热电薄膜和N型CoSb热电薄膜的厚度均为100 nm~100 μm。
所述的Sb基柔性薄膜温差电池，其中，第一电极层和第二电极层的厚度均为300nm；第一保护层和第二保护层的厚度均为100nm。
有益效果：本发明所制造的Sb基柔性薄膜温差电池及，不仅能在中低温条件下长期使用，且能在较小的温差情况下提供足够高的电压和电流，且作为非消耗性物理电池，具有足够长的使用寿命。本发明具有如下优点：1、制备方法流程简单，可大面积生产。2、选用材料成本低，可简单制造成本。3、制备出的温差电池性能优越，可大规模的推广应用。
附图说明
图1为本发明制备的Sb基热电薄膜的结构示意图。
图2为本发明制备Sb基热电薄膜的多靶磁控溅射镀膜机的结构示意图。
图3为本发明制备的Sb基柔性薄膜温差电池的结构示意图。
图4为本发明实施例1所制备的Sb基柔性薄膜温差电池性能输出示意图。
具体实施方式
本发明提供一种Sb基柔性薄膜温差电池及其制造方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明所提供的一种Sb基柔性薄膜温差电池的制造方法较佳实施例，其包括步骤：
S1、采用磁控共溅射技术，在第一柔性衬底上制备P型ZnSb热电薄膜；
以及采用磁控共溅射技术，在第二柔性衬底上制备N型CoSb热电薄膜；
S2、在P型ZnSb热电薄膜的两端镀制第一电极层；在N型CoSb热电薄膜的两端镀制第二电极层；
S3、采用导电铝箔连接P型ZnSb热电薄膜一端的第一电极层和N型CoSb热电薄膜一端的第二电极层，并在P型ZnSb热电薄膜另一端的第一电极层和N型CoSb热电薄膜另一端的第二电极层引出电极。
本发明的Sb基柔性薄膜温差电池的制造方法，采用较低成本、在中低温具有最优热电性能的Sb基（ZnSb和CoSb）热电材料以及塑性较强、价格便宜的柔性基底，在提高薄膜温差电池性能的同时，降低了制造成本，简化了制造工艺。
如图1所示，首先在柔性衬底10上制备热电薄膜20，然后在热电薄膜20的两端镀制电极层30得到Sb基热电薄膜。具体地，在第一柔性衬底上制备P型ZnSb热电薄膜，在P型ZnSb热电薄膜的两端镀制第一电极层；在第二柔性衬底上制备N型CoSb热电薄膜，在N型CoSb热电薄膜的两端镀制第二电极层。
进一步，本发明还在P型ZnSb热电薄膜和N型CoSb热电薄膜中掺杂了In。具体如下：
选用ZnSb作为半导体合金靶以及In作为单质金属靶材，在第一柔性衬底上制备In掺杂的P型ZnSb热电薄膜。
选用CoSb作为半导体合金靶以及In作为单质金属靶材，在第二柔性衬底上制备In掺杂的N型CoSb热电薄膜。
在热电薄膜中掺杂In有利于提高热电薄膜的热电性能，且能够增加热电薄膜的塑性。最终制得的P型ZnSb热电薄膜和N型CoSb热电薄膜的厚度均为100 nm~100 μm，在该厚度范围内，所制备的热电薄膜温差电池，其性能得到大大提升，本发明后续的描述，也均指n掺杂的P型ZnSb热电薄膜和In掺杂的N型CoSb热电薄膜。
如图2所示，热电薄膜的制备可采用如图2所示的多靶磁控溅射镀膜机，110为ZnSb靶材，120为In靶材，130为CoSb靶材，140为共溅射而成的靶材，10为柔性衬底。选用ZnSb半导体合金靶和CoSb半导体合金靶，再选用In单质金属靶材，采用磁控共溅射的形式，分别将ZnSb半导体合金靶和In单质金属靶材安置在多靶磁控溅射镀膜机的直流溅射靶位上，CoSb半导体合金靶安置在射频溅射靶位上。
进一步，所述第一电极层和第二电极层均为Cu电极，其导电性能高，且成本较低，镀制过程也相对简单。第一电极层和第二电极层的厚度优选均为300nm，当然，还可根据需要调整至其他厚度。
如图1所示，也就是说，在电极层30的上方还镀制有保护层40。具体地，在P型ZnSb热电薄膜的第一电极层上还镀制有第一保护层；在N型CoSb热电薄膜的第二电极层上还镀制有第二保护层。优选的，所述第一保护层和第二保护层均为Mo材质。上述保护层可对对应的电极层进行保护，防止电极层损坏，并且Mo材质的保护层具有良好的导电性能，可高效地传递电子，并且加工性能、机械性能和化学性能都非常稳定，耐腐蚀。
第一保护层和第二保护层的厚度优选均为100nm。该厚度的保护层可起到较好的保护作用，同时也不会对电极层的性能造成影响。
对于上述两种薄膜（P型ZnSb热电薄膜和N型CoSb热电薄膜），其中一端的第一电极层与第一保护层构成Cu/Mo电极输出薄膜层，用于连接PN结，另一端的第一电极层与第二保护层则构成了用于引出电极的电极处。如图3所示，利用导电铝箔50将P型ZnSb热电薄膜一端的第一电极层和N型CoSb热电薄膜一端的第二电极层连接，并在P型ZnSb热电薄膜另一端的第一电极层和N型CoSb热电薄膜另一端的第二电极层引出电极，即可完成Sb基柔性薄膜温差电池的制备。
本发明还提供一种Sb基柔性薄膜温差电池，其采用如上所述的制造方法制造而成。
实施例1：
本实施例中，使用多靶磁控溅射镀膜机，制备Sb基柔性薄膜温差电池的P型材料薄膜层（即P型ZnSb热电薄膜）和N型材料薄膜层（即N型CoSb热电薄膜）。选用ZnSb半导体合金靶和CoSb半导体合金靶，再选用In单质金属靶材，采用磁控共溅射的形式，分别将ZnSb半导体合金靶和In单质金属靶材放置在多靶磁控溅射镀膜机的直流溅射靶位上，将CoSb放置在射频溅射靶位上。
薄膜材料制备参数如下：本底真空度为6.0×10-4Pa，氩气流量设为40sccm，工作气压为0.4Pa，预溅射时间为5min。In单质金属靶材采用直流磁控溅射，功率为5 W，ZnSb靶采用直流磁控溅射，溅射功率为50 W； CoSb半导体合金靶采用射频磁控溅射，功率55W；选择由聚酰亚胺制造的柔性PI作为绝缘基片（作为柔性衬底），厚度为0.15 mm，使用有机溶剂对绝缘基片进行超声波清洗，然后放入镀膜室内夹具上；分别在两个相同的绝缘基片（一个作为第一柔性衬底，另一个作为第二柔性衬底）上通过磁控共溅射技术镀制上In掺杂的P型ZnSb热电薄膜和In掺杂的N型CoSb热电薄膜。二者厚度均为50 μm；
再通过遮掩的方式，在制备得到的P型ZnSb热电薄膜和N型CoSb热电薄膜的两端采用磁控直流溅射技术，镀制上电极层（Cu层）和保护层（Mo层），电极层Cu层厚度为300 nm，保护层Mo层厚度为100 nm。其中，在P型ZnSb热电薄膜的两端镀制得到的依次为第一电极层和第一保护层，在N型CoSb热电薄膜两端镀制得到的依次为第二电极层和第二保护层。第一电极层和第二电极层均为Cu层，厚度均为300nm，第一保护层和第二保护层均为Mo层，厚度均为100nm。
在上述流程完成后，采用导电铝箔连接P型ZnSb热电薄膜和N型CoSb热电薄膜的一端电极处（即镀制电极层的其中一端），通过粘合剂进行粘合固定，完成PN结的连接，最后分别从另一端电极处（即镀制电极层的另一端）引出电极，就完成了Sb基柔性薄膜温差电池的制备。
如图4所示，随着温度的增加，Sb基薄膜温差电池具有良好的输出特性，证明本发明所制备的Sb基柔性薄膜温差电池具有良好的电池性能。
实施例2：
本实施例中，使用多靶磁控溅射镀膜机，制备Sb基柔性薄膜温差电池的P型材料薄膜层（即P型ZnSb热电薄膜）和N型材料薄膜层（即N型CoSb热电薄膜）。选用ZnSb半导体合金靶和CoSb半导体合金靶，再选用In单质金属靶材，采用磁控共溅射的形式，分别将ZnSb半导体合金靶和In单质金属靶材放置在多靶磁控溅射镀膜机的直流溅射靶位上，将CoSb放置在射频溅射靶位上。
薄膜材料制备参数如下：本底真空度为5.0×10-4Pa，氩气流量设为40sccm，工作气压为0.4Pa，预溅射时间为6min。In单质金属靶材采用直流磁控溅射，功率为5.5W，ZnSb靶采用直流磁控溅射，溅射功率为60 W； CoSb半导体合金靶采用射频磁控溅射，功率50W；选择由聚酰亚胺制造的柔性PI作为绝缘基片（作为柔性衬底），厚度为0.15 mm，使用有机溶剂对绝缘基片进行超声波清洗，然后放入镀膜室内夹具上；分别在两个相同的绝缘基片（一个作为第一柔性衬底，另一个作为第二柔性衬底）上通过磁控共溅射技术镀制上In掺杂的P型ZnSb热电薄膜和In掺杂的N型CoSb热电薄膜。二者厚度均为100nm；
再通过遮掩的方式，在制备得到的P型ZnSb热电薄膜和N型CoSb热电薄膜的两端采用磁控直流溅射技术，镀制上电极层（Cu层）和保护层（Mo层），电极层Cu层厚度为300 nm，保护层Mo层厚度为100 nm。其中，在P型ZnSb热电薄膜的两端镀制得到的依次为第一电极层和第一保护层，在N型CoSb热电薄膜两端镀制得到的依次为第二电极层和第二保护层。第一电极层和第二电极层均为Cu层，厚度均为300nm，第一保护层和第二保护层均为Mo层，厚度均为100nm。
在上述流程完成后，采用导电铝箔连接P型ZnSb热电薄膜和N型CoSb热电薄膜的一端电极处（即镀制电极层的其中一端），通过粘合剂进行粘合固定，完成PN结的连接，最后分别从另一端电极处（即镀制电极层的另一端）引出电极，就完成了Sb基柔性薄膜温差电池的制备。
实施例3：
本实施例中，使用多靶磁控溅射镀膜机，制备Sb基柔性薄膜温差电池的P型材料薄膜层（即P型ZnSb热电薄膜）和N型材料薄膜层（即N型CoSb热电薄膜）。选用ZnSb半导体合金靶和CoSb半导体合金靶，再选用In单质金属靶材，采用磁控共溅射的形式，分别将ZnSb半导体合金靶和In单质金属靶材放置在多靶磁控溅射镀膜机的直流溅射靶位上，将CoSb放置在射频溅射靶位上。
薄膜材料制备参数如下：本底真空度为7.0×10-4Pa，氩气流量设为40sccm，工作气压为0.4Pa，预溅射时间为4min。In单质金属靶材采用直流磁控溅射，功率为6 W，ZnSb靶采用直流磁控溅射，溅射功率为55 W； CoSb半导体合金靶采用射频磁控溅射，功率60W；选择由聚酰亚胺制造的柔性PI作为绝缘基片（作为柔性衬底），厚度为0.15 mm，使用有机溶剂对绝缘基片进行超声波清洗，然后放入镀膜室内夹具上；分别在两个相同的绝缘基片（一个作为第一柔性衬底，另一个作为第二柔性衬底）上通过磁控共溅射技术镀制上In掺杂的P型ZnSb热电薄膜和In掺杂的N型CoSb热电薄膜。二者厚度均为100μm；
再通过遮掩的方式，在制备得到的P型ZnSb热电薄膜和N型CoSb热电薄膜的两端采用磁控直流溅射技术，镀制上电极层（Cu层）和保护层（Mo层），电极层Cu层厚度为300 nm，保护层Mo层厚度为100 nm。其中，在P型ZnSb热电薄膜的两端镀制得到的依次为第一电极层和第一保护层，在N型CoSb热电薄膜两端镀制得到的依次为第二电极层和第二保护层。第一电极层和第二电极层均为Cu层，厚度均为300nm，第一保护层和第二保护层均为Mo层，厚度均为100nm。
在上述流程完成后，采用导电铝箔连接P型ZnSb热电薄膜和N型CoSb热电薄膜的一端电极处（即镀制电极层的其中一端），通过粘合剂进行粘合固定，完成PN结的连接，最后分别从另一端电极处（即镀制电极层的另一端）引出电极，就完成了Sb基柔性薄膜温差电池的制备。
应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种Sb基柔性薄膜温差电池的制造方法，其特征在于，包括步骤：
A、采用磁控共溅射技术，在第一柔性衬底上制备P型ZnSb热电薄膜；
以及采用磁控共溅射技术，在第二柔性衬底上制备N型CoSb热电薄膜；
B、在P型ZnSb热电薄膜的两端镀制第一电极层；在N型CoSb热电薄膜的两端镀制第二电极层；
C、采用导电铝箔连接P型ZnSb热电薄膜一端的第一电极层和N型CoSb热电薄膜一端的第二电极层，并在P型ZnSb热电薄膜另一端的第一电极层和N型CoSb热电薄膜另一端的第二电极层引出电极。
2.根据权利要求1所述的Sb基柔性薄膜温差电池的制造方法，其特征在于，在P型ZnSb热电薄膜的第一电极层上还镀制有第一保护层；在N型CoSb热电薄膜的第二电极层上还镀制有第二保护层。
3.根据权利要求2所述的Sb基柔性薄膜温差电池的制造方法，其特征在于，所述第一保护层和第二保护层均为Mo材质。
4.根据权利要求1所述的Sb基柔性薄膜温差电池的制造方法，其特征在于，选用ZnSb作为半导体合金靶以及In作为单质金属靶材，在第一柔性衬底上制备In掺杂的P型ZnSb热电薄膜。
5.根据权利要求1所述的Sb基柔性薄膜温差电池的制造方法，其特征在于，选用CoSb作为半导体合金靶以及In作为单质金属靶材，在第二柔性衬底上制备In掺杂的N型CoSb热电薄膜。
6.根据权利要求1所述的Sb基柔性薄膜温差电池的制造方法，其特征在于，所述第一电极层和第二电极层均为Cu电极。
7.一种Sb基柔性薄膜温差电池，其特征在于，采用如权利要求1所述的制造方法制造而成。
8.根据权利要求7所述的Sb基柔性薄膜温差电池，其特征在于，P型ZnSb热电薄膜和N型CoSb热电薄膜的厚度均为100 nm~100 μm。
9.根据权利要求7所述的Sb基柔性薄膜温差电池，其特征在于，第一电极层和第二电极层的厚度均为300nm。
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