CN111106230A - 一种平面辐射结构微温差发电器件 - Google Patents
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Abstract
本发明属于温差电技术领域，特别是涉及一种平面辐射结构微温差发电器件。该发电器件整体结构为辐射状，器件中心是一正方形的热源区域，热源区域四周均布有若干对温差电单体；每对温差电单体包括热端导电层、冷端导电层和P/N型温差电元件；所述热端导电层设在热源区域边界处；冷端导电层与热端导电层相对的设在整个发电器件的边缘处；热端导电层在热端连接P型温差电元件和N型温差电元件的一端；冷端导电层在冷端连接P型温差电元件和N型温差电元件的另一端；每对相邻的温差电单体为串联。本发明可显著提升器件的工作温差；通过在与热源接触的位置点上下表面分别设计高导热和低导热层，有效控制热流方向，最大限度的实现热量有效转换。
Description
技术领域
本发明属于温差电技术领域，特别是涉及一种平面辐射结构微温差发电器件。
背景技术
随着智能电子产品的快速发展，以可穿戴式、植入式为代表的新一代智能微纳电子***迫切需要开发微瓦—毫瓦级自供电技术。温差发电技术可利用人体体温与周围环境的温差发电，其微型化换能器件有望成为便携式智能电子器件自供电技术的有效解决方案，其自身不间断持续输出的特性也可能实现电子器件的无线续航。因此，微温差发电技术在智能微纳电子设备中的应用价值引起了科学界的高度关注。
国际上关于薄膜温差电池研究较多的为美国和德国，国内也有相关大学和科研机构开展相关研究工作。目前国内报道的微温差技术多集中于薄膜材料的制备，微温差发电器件较少。国内外报道的微器件多为叠层结构，热流自上而下传导，较薄换能微区导致器件无法建立较大的工作温差(仅为几K)，输出性能较低；衬底多为刚性，与异形热源表面贴合度较低。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的上述技术问题，从器件大温差设计理念出发，提供了一种平面辐射结构微温差发电器件。
为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种平面辐射结构微温差发电器件，该发电器件整体结构为辐射状，器件中心是一正方形的热源区域，热源区域四周均布有若干对温差电单体；每对温差电单体包括热端导电层、冷端导电层和P/N型温差电元件；所述热端导电层设在热源区域边界处；冷端导电层与热端导电层相对的设在整个发电器件的边缘处；热端导电层在热端连接P型温差电元件和N型温差电元件的一端；冷端导电层在冷端连接P型温差电元件和N型温差电元件的另一端；每对相邻的温差电单体为串联。
进一步，使用时，所述热源区域背面与热源接触，热源区域的面积由热源大小确定，以确保热量最大限度的高效利用。
进一步，通过物理沉积法在热源区域正面制作高热阻陶瓷层，背面制作超导热石墨烯薄膜，以使热流在平面内辐射传递，避免垂直方向(面间)的热流损失。
进一步，发电器件选择刚性或柔性衬底进行制作，刚性衬底选择具有氧化层的高绝缘硅，柔性衬底为厚度50微米以下的聚酰亚胺，在保证衬底绝缘的前提下，可以适用于不同的热源表面。
进一步，所述热端导电层、P/N型温差电元件及冷端导电层的材料厚度均控制在5μm～30μm，薄膜的厚度可根据实际应用的温差需求进行选择和限定。
进一步，冷、热端导电层材料选择Mo、Ti、Au、Al中的任意一种，上述金属均具有良好的化学稳定性和导电性。
进一步，所述温差电单体为P/N型重掺杂BiTe系材料，该系材料性能优良，可以满足器件工作温度需要。
进一步，所述热源区域大小为0.3mm×0.3mm，热端导电层及冷端导电层厚度均为20μm，P/N型温差电元件截面尺寸为20μm×30μm，长度为0.5mm。
进一步，发电器件四周共包含24对温差电单体。
更进一步，该发电器件采用非平衡磁控溅射与微电子光刻蚀相结合的技术实现辐射状电池的制作集成，集成后对器件整体进行热处理，热处理温度280℃～380℃，升温速度1℃～5℃/s，保温时间20min～40min。
本发明具有的优点和积极效果是：
本发明的平面辐射结构微温差发电器件创新性的提出了平面辐射结构的微型准二维微温差器件产品设计，冷端导电层和热端导电层在平面内建立工作温差，以使热流在平面内辐射传递，避免垂直方向(面间)的热流损失。可通过制作大高度截面积比微温差换能微区，显著提升器件的工作温差；通过在与热源接触的位置点上下表面分别设计高导热和低导热层，有效控制热流方向，最大限度的实现热量有效转换。
附图说明：
图1是本发明优选实施例中平面辐射结构微温差发电器件的结构示意图。
其中：1、热源区域；2、冷端导电层；3、热端导电层；4、P型温差电元件；5、N型温差电元件。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图；对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然；所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例；而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例；本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例；都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明公开了一种平面辐射结构微温差发电器件，该发电器件整体结构为辐射状，器件中心是一正方形的热源区域1，热源区域1四周均布有若干对温差电单体；每对温差电单体包括冷端导电层2、热端导电层3和P/N型温差电元件；所述热端导电层3设在热源区域1的边界处(冷端)；冷端导电层2与热端导电层3相对的设在整个发电器件的边缘处(热端)；热端导电层3在热端连接P型温差电元件4和N型温差电元件5的一端；冷端导电层2在冷端连接P型温差电元件4和N型温差电元件5的另一端；每对相邻的温差电单体为串联；这样P型温差电元件4和N型温差电元件5形成平面辐射形的结构，二者在平面内建立工作温差，以使热流在平面内辐射传递，避免垂直方向(面间)的热流损失。元件长度可以根据实际使用时的位置和需求自由调整，可设计至毫米量级，以建立较大工作温差。
优选的，该发电器件采用非平衡磁控溅射与微电子光刻蚀相结合的技术实现辐射状电池的制作集成，集成后对器件整体进行热处理，热处理温度280℃～380℃，升温速度1℃～5℃/s，保温时间20min～40min。
优选的，使用时，该热源区域背面与热源接触，故可根据热源大小确定该区域的面积；此外，为实现热流在面内高效传递，尽量阻止面间热量损失，本发明以物理沉积的方法在热源区域正面制作高热阻陶瓷层(ZnO、ZrO2、AlN、Al2O3等)，背面制作超导热石墨烯薄膜。
优选的，发电器件选择刚性或柔性衬底进行制作，其中：刚性衬底优选具有氧化层的高绝缘硅，柔性衬底优选厚度50微米以下的聚酰亚胺；
优选的，所述热端导电层、P/N型温差电元件及冷端导电层的材料厚度均控制在5μm～30μm，按由内到外的顺序排列；
优选的，本发明冷、热端导电层材料选择Mo、Ti、Au、Al等，温差电单体为P/N型重掺杂BiTe系材料。
实施例1
一种平面辐射结构微温差发电器件，采用非平衡磁控溅射与微电子光刻蚀相结合的技术实现辐射状电池的制作集成，集成后对器件整体进行热处理，热处理温度300℃，升温速度1℃/s，保温时间20min。所述热源区域1背面为石墨烯薄膜，正面为ZnO陶瓷层；热源区域大小为0.3mm×0.3mm，发电器件四周共包含24对P-N BiTe基换能温差电单体，冷端导电层2及热端导电层厚度均为20μm，P/N型温差电元件截面尺寸为20μm×30μm，长度为0.5mm。经测试，器件温差为17K，开路电压接近0.063V，最大输出功率1.98μW。
以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (10)
1.一种平面辐射结构微温差发电器件，其特征在于：该发电器件整体结构为辐射状，器件中心是一正方形的热源区域，热源区域四周均布有若干对温差电单体；每对温差电单体包括热端导电层、冷端导电层和P/N型温差电元件；所述热端导电层设在热源区域边界处；冷端导电层与热端导电层相对的设在整个发电器件的边缘处；热端导电层在热端连接P型温差电元件和N型温差电元件的一端；冷端导电层在冷端连接P型温差电元件和N型温差电元件的另一端；每对相邻的温差电单体为串联。
2.如权利要求1所述的平面辐射结构微温差发电器件，其特征在于：使用时，所述热源区域背面与热源接触，热源区域的面积由热源大小确定。
3.如权利要求1所述的平面辐射结构微温差发电器件，其特征在于：通过物理沉积法在热源区域正面制作高热阻陶瓷层，背面制作超导热石墨烯薄膜。
4.如权利要求1所述的平面辐射结构微温差发电器件，其特征在于：发电器件选择刚性或柔性衬底进行制作，刚性衬底选择具有氧化层的高绝缘硅，柔性衬底为厚度50微米以下的聚酰亚胺。
5.如权利要求1所述的平面辐射结构微温差发电器件，其特征在于：所述热端导电层、P/N型温差电元件及冷端导电层的材料厚度均控制在5μm～30μm。
6.如权利要求1所述的平面辐射结构微温差发电器件，其特征在于：冷、热端导电层材料选择Mo、Ti、Au、Al中的任意一种。
7.如权利要求1所述的平面辐射结构微温差发电器件，其特征在于：所述温差电单体为P/N型重掺杂BiTe系材料。
8.如权利要求1所述的平面辐射结构微温差发电器件，其特征在于：所述热源区域大小为0.3mm×0.3mm，热端导电层及冷端导电层厚度均为20μm，P/N型温差电元件截面尺寸为20μm×30μm，长度为0.5mm。
9.如权利要求1所述的平面辐射结构微温差发电器件，其特征在于：发电器件四周共包含24对温差电单体。
10.如权利要求1至9任一项所述的平面辐射结构微温差发电器件，其特征在于：所述发电器件采用非平衡磁控溅射与微电子光刻蚀相结合的技术实现辐射状电池的制作集成；集成后对器件整体进行热处理，热处理温度280℃～380℃，升温速度1℃～5℃/s，保温时间20min～40min。
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