CN108365794B - 光热电转换组件及其制造方法 - Google Patents

光热电转换组件及其制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供光热电转换组件及其制造方法。该光热电转换组件包括绝缘材料形成的衬底层、光热单元和电极；以及在光热单元和所述衬底层之间由热电材料形成的热电单元；电极与热电单元电性接触；该光热单元具有导电性。该制造光热电转换组件的方法包括在具有导电性的光热单元和绝缘衬底层之间形成由热电材料形成的热电单元；该热电单元与电极电性接触。

Description

光热电转换组件及其制造方法
技术领域
本发明内容涉及光热电转换组件和制造该光热电转换组件的方法。
背景技术
环境中具有丰富的热能，如何有效和高效的收集环境中的热能是人们关注的热点。目前，收集热能的有效途径是热电发电机。热电发电机是基于塞贝克效应将环境中的热能转化成电能。但是该类发电机在使用过程中需要组件电极两端存在较大的温差。但是环境中自然存在较大温差的场景并不多，除非人为的制造这种温差，这就极大的限制了该类发电机的广泛应用。
发明内容
本发明提供具有改善光热电转换效率的光热电转换组件和制造该光热电转换组件的方法。
另外的方面将在随后的描述中部分地阐明，且部分地将从所述描述明晰，或者可通过所提供的的实施方式的实践获知。
根据本发明的一个方面，光热电转换组件包括：绝缘材料形成的衬底层；具有导电性的光热单元；在所述光热单元和所述衬底层之间由热电材料形成的热电单元；以及电极；所述电极与所述热电单元电性接触；光热单元和电极在衬底层的投影不重叠。
在该光热电转换组件中，光热材料吸收光使光热单元温度上升，其温度高于室温。而电极仍保持在室温，即光热单元和电极间存在明显温差，产生温度梯度，由此产生塞贝克效应(Seebeck effect)。
塞贝克效应又称作第一热电效应，是指由于两种不同电导体或半导体的温度差异而引起两种物质间的电压差的热电现象。一般规定热电势方向为：在热端电流由负流向正。在该光热电转换器件组成的回路中，光热单元和电极的温度不同，则在回路中将出现热电流，其方向取决于温度梯度的方向。该热电单元中的热端载流子扩散至冷端而形成电流，由于载流子在热端和冷端堆积，形成电势差。本发明利用上述工作机理，通过光照射使热电单元实现有效的热电输出，进而实现光-热-电的转换。
由于如果光热单元和电极在衬底层的投影重叠时光热单元和电极的距离很近，难以形成有效的温度梯度。因此光热单元和电极在衬底层的投影不重叠，可以避免由光热单元将热量传递至电极而导致的温度梯度降低。
所述光热单元为包括光热材料和导电材料的复合膜。这样的光热单元可以同时作为光热电转换组件的电极。所述光热材料可以是二硫化钼、碳纳米管、氧化石墨烯、金或硫化铜。在一实施例中，所述光热单元为包括二硫化钼、碳纳米管、石墨烯、金纳米材料或硫化铜的导电浆料形成的光热材料。该导电材料包括碳或金属。进一步地，所述导电浆料还包括碳浆或金属浆料。在一实施例中，该碳浆可以是石墨导体；金属浆料可以是金粉、银粉、铜粉或银铜合金。进一步地，所述光热单元为包括二硫化钼和石墨烯的复合膜。
在一实施例中，所述热电单元包括：由纳米结构体形式的半导体热电材料和聚合物热电材料混合形成的复合材料。该纳米结构体可以是纳米花、纳米线、纳米管、纳米棒、纳米片、纳米孔或纳米颗粒。在一实施例中，所述半导体热电材料包括Te、Bi2Te3、SbTe3、PbTe、BiSbTe或BiSbTe。
在一实施例中，所述电极为红外线反射材料。红外线反射材料可以是银、铝、铜等，该材料可以将红外线反射而非吸收，这样可以防止电极及热电单元升温而降低其与光热单元之间的温差，进而提升光-热-电的转换效率。
根据本发明的另一方面，制造光热电转换组件的方法，该方法包括：在具有导电性的光热单元和绝缘衬底层之间形成由热电材料形成的热电单元；所述热电单元与电极电性接触；所述光热单元与电极在衬底层的投影不重叠。
在一实施例中，所述光热单元由光热材料和导电浆料混合形成。
在一实施例中，所述热电单元包括：由纳米结构体形式的半导体热电材料和聚合物热电材料混合形成的复合材料。
本发明的光热电转换器件可以通过光来使热电单元工作而得到有效的热电输出，进而实现光-热-电的转换。此外，光热单元与电极在衬底层的投影不重叠，可以避免由光热单元将热量传递至电极而导致的温度梯度降低。此外，还有利于在热电单元表面上覆盖较多的电极和光热单元，以利于增加光热单元接收光照的受光面积，提高器件的集成化程度。
附图说明
结合附图考虑的实施方式的下列描述，以上和/或其他方面将变得明晰和更容易理解，在附图中：
图1是根据本发明实施例一至实施例三的光热电转换组件结构示意图；
图2是本发明实施例二中光热电转换组件的光热单元和电极的热成像图；
图3A和图3B是本发明实施例二能够显示光热电转换组件的热电电流图。
具体实施方式
现在将参照附图更充分地描述示例性实施方式，相同的附图标记表示相同的元件。
实施例一：
图1是根据本发明的一个实施方式的光热电转换组件结构示意图。参照图1，光热电转换组件包括光热单元10、电极30、绝缘支撑衬底40、以及在光热单元10、电极30和绝缘支撑衬底40之间形成的热电单元20。该光热电转换组件是用于将光能转变为热能，再将热能转变为电能的转换组件，并且包括用于实现光热转换的光热单元和用于实现热电转换的热电单元。
由图1所示，光热单元10和电极30在绝缘支撑衬底40上的投影不重叠。
因为，如果光热单元10和电极30在绝缘支撑衬底40的投影重叠时光热单元10和电极30的距离很近，导致热量的传递，难以形成有效的温度梯度。因此光热单元10和电极30在绝缘支撑衬底40的投影不重叠，可以避免由光热单元10将热量传递至电极30而导致的温度梯度降低。
热电单元20是由纳米结构体形式的半导体热电材料和聚合物热电材料混合而形成的热电纳米复合膜形成。半导体热电材料可为碲(Te)、Bi2Te3、SbTe3、PbTe、BiSbTe、BiSbTe，该聚合物热电材料为聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)。纳米结构体可为纳米线、纳米管、纳米棒、纳米片、纳米孔或纳米颗粒，但本实施方式不仅限于此。纳米结构体具有比相应的体结构体较好的热电性能。特别地，纳米线结构体即一维纳米结构中，由于声子在纳米线表面散射，导致热电材料可达到较低的导热系数。纳米结构形式的半导体可在导电聚合物中沿任意方向布置，例如纳米结构体形式的半导体可规则或不规则地布置在导电聚合物中，可相对于衬底平行布置，也可相对于衬底按一定倾斜角度布置。
光热单元10是由纳米结构体形式的光热材料和导电浆料形成的。光热材料可为二硫化钼(MoS2)、碳纳米管、氧化石墨烯、不同形状的金纳米材料或硫化铜，纳米结构体可包括纳米花、纳米线、纳米管、纳米棒、纳米片、纳米孔或纳米颗粒，但本实施方式不仅限于此。导电浆料可为碳浆(石墨导体)，金属浆料(金粉，银粉，铜粉，银铜合金)，以及改性的陶瓷浆料，但本实施方式不限于此。
电极30可为金属材料，例如Au、Ag、Cu、Al、Pt、或其组合或合金，此外，电极30可为透明和柔性的导电材料，例如导电聚合物如聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)、石墨烯、导电氧化物如氧化铟锡(ITO)和氧化铟锌(IZO)，碳纳米管、或其混合物形成。但本实施方式不限于此。
绝缘支撑衬底40可为柔性衬底，例如塑料衬底如PET和织物衬底；此外，绝缘支撑衬底40可为非柔性衬底，例如玻璃衬底；但本实施方式不限于此。
实施例二：
制备图1结构的光热电转换组件，采用MoS2二维纳米材料作为光热材料。MoS2二维纳米材料是一种高效的光热材料，光热转换效率高。已有利用MoS2吸收红外光的特性，将其作为光热材料置于生物体内用于癌症治疗的研究，即MoS2可以实现光到热的转换，但目前对MoS2作为光热电转换介质的研究未见相关报道。图2是光热电转换组件的光热单元10和电极30的热成像图。所述光热单元10为二硫化钼和石墨烯浆料混合形成的MoS2/石墨烯膜，所述电极为Ag电极。参考图2，当光功率为100mW、波长为808nm的红外光照射MoS2/石墨烯膜表面时，其表面温度可达到64℃；该红外光未照射到MoS2/石墨烯膜表面时，该表面温度维持在室温24℃；当该红外光照射到Ag电极表面时，其表面温度可达到33℃；该红外光未照射到Ag电极表面时，其表面温度维持在室温24℃。图2表明若红外仅仅照射到无MoS2/石墨烯膜的热电转换组件表面，则该温度明显远低于有MoS2/石墨烯膜的光热电转换组件的光致热温度，且若无红外照射到MoS2/石墨烯膜表面，则无明显光致热效果。
光热电转换组件表面被施以光照，例如红外光、太阳光时，光热单元10吸光致热，导致自身的温度上升，高于室温，这使光热单元温度增加，而电极30仍然保持在室温即两电极间存在明显温差，使热电单元20中存在明显的温度梯度。此外，当除去施加到光热电转换组件上的光照时，光热单元10无光照可吸收，光热单元10温度不升高反而缓慢下降至室温，使光热单元10和电极30间无明显温差即热电单元20中无明显的温度梯度。由于热电单元20的热电性质，当热电单元20内部存在温度梯度时，基于塞贝克效应，热电单元20中的热端载流子会扩散至冷端而形成电流，由于载流子在热端和冷端堆积，在光热单元10和电极30之间形成电势差即热电电压。如上所述，光热电转换组件可将光能转化为热能，再将热能转换为电能。
图3A和图3B是显示光热电转换组件的热电电流图。图3A和图3B显示的是当光热电转换组件(光热单元为MoS2/石墨烯膜,电极为Ag电极，热电单元为Te/PEDOT纳米复合膜，绝缘支撑衬底为PET)形成的热电输出。图3A说明当光热电转换组件被波长为808nm且光功率为100mW的红外光照射时热电电流和光照时间的关系。参考图3A，光照时间为60s时对应的电流输出为0.23nA。图3B说明当光热电转换组件被波长为808nm且光功率为100mW的红外光照射时热电电流和光照时间的关系。参考图4A，光照时间为60s时对应的电流输出为-0.33nA。
图3A和图3B表明波长为808nm且光功率为100mW的红外光照射到光热电转换组件表面且当光热电转换组件正向和反向接入电路时有相反方向的直流电流输出，即表明组件能够得到有效的热电输出，若取消光照，热电输出则会逐渐下降至0。图3A和图3B表明波长为808nm且光功率为100mW的红外光照射到光热电转换组件表面时,光照时间的增加能够有效增加热电输出，但最终会达到饱和状态。
由上述实验可以发现，可以通过调节光照时间来改善光热电转换组件的热电输出。
实施例三：
根据本发明的实施方式制造光热电转换组件的方法制备如图1所示的热电单元20，并在热电单元20两端形成由光热材料和导电浆料形成的光热单元10和电极30。电极30可为金属材料如银(Ag)、导电氧化物或导电聚合物形成。银电极为红外线反射材料。红外线反射材料也可以是银、铝、铜等，该材料可以将红外线反射而非吸收，这样可以防止电极及热电单元升温而降低其与光热单元之间的温差，进而提升光-热-电的转换效率。
为了制造方便，热电单元20直接在绝缘支撑衬底40上形成。绝缘支撑衬底40为塑料如PET或织物。热电单元具体制造方法如下：纳米结构半导体粉末如Te加入到有机溶剂如异丙醇和导电聚合物如聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)组成的液体中形成混合液，再将该混合液涂覆到绝缘支撑衬底上，并在室温下干燥。
制备如图1所示的光热单元，为了制造方便，光热单元10直接在热电单元上制备。光热单元10具体制造方法如下:纳米结构光热材料粉末如二硫化钼(MoS2)加入到石墨烯浆料中形成混合液，再将该混合液涂覆到热电单元上，并在60℃干燥4h。
应理解，本文中描述的示例性实施方式应仅在描述的意义上考虑且不用于限制的目的。在各实施方式中的特征或方面的描述应典型地被认为可用于在其它实施方式中的其它类似特征或方面。

Claims (8)

1.光热电转换组件，其特征在于包括：
绝缘材料形成的衬底层；
具有导电性的光热单元；
在所述光热单元和所述衬底层之间由热电材料形成的热电单元；
以及电极；
所述电极与所述热电单元电性接触；
所述光热单元和所述电极在衬底层的投影不重叠。
2.根据权利要求1所述的光热电转换组件，其特征在于：所述光热单元为包括光热材料和导电材料的复合膜。
3.根据权利要求2所述的光热电转换组件，其特征在于：所述光热材料为包括二硫化钼、碳纳米管、石墨烯、金纳米材料或硫化铜的材料。
4.根据权利要求1所述的光热电转换组件，其特征在于：所述热电单元包括：由纳米结构体形式的半导体热电材料和聚合物热电材料混合形成的复合材料。
5.根据权利要求4所述的光热电转换组件，其特征在于：所述半导体热电材料包括Te、Bi2Te3、SbTe3、PbTe、BiSbTe或BiSbTe。
6.根据权利要求1所述的光热电转换组件，其特征在于：所述电极为红外线反射材料。
7.制造光热电转换组件的方法，其特征在于，该方法包括：
在具有导电性的光热单元和绝缘衬底层之间形成由热电材料形成的热电单元；所述热电单元与电极电性接触；所述光热单元与电极在衬底层的投影不重叠。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述光热单元由光热材料和导电浆料混合形成。
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