RU2604180C1 - Thermoelectric energy converter - Google Patents

Abstract

FIELD: electrical engineering.

SUBSTANCE: invention relates to thermoelectric energy converters. Essence: the thermoelectric converter contains at least one thermoelectric cell with in-series connected film thermoelectric branches (1, 2), made of semiconductor materials and located between heat exchange layers (11, 12). Branches (1, 2) are electrically insulated from the surface of heat exchange layers (11, 12) by film dielectric coatings (13, 14). Space between heat exchange layers and thermoelectric branches is filled with insulator (15). Each thermoelectric branch (1, 2) has two generating sections (3 and 4, 6 and 7), each of which forms a thermal contact with one of opposed heat layers. Generating sections are interconnected by electrically conducting parts (5, 8), made in the form of flat links, and form contact p-n junctions with nearby generating sections of adjacent thermoelectric branches. In the area of contact of p-n junctions generating sections are overlapped. Length of each contact p-n junction along the direction of connection of thermoelectric branches exceeds thickness of any generating section. Contact surface of p-n junction between generating sections is turned to the heat exchange layer surface. Thickness of each generating section is selected within the range of 50 N·m to 5 microns. Between contact surfaces of generating sections in the area of contact p-n junction a transition film layer of metal or metal alloy is formed.

EFFECT: technical result is increase in energy conversion specific efficiency and reduction of dimensions and weight of the device.

19 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к термоэлектрическим приборам и устройствам, более конкретно к тонкопленочным термоэлектрическим преобразователям энергии, принцип работы которых основан на эффектах Зеебека и Пельтье.The invention relates to thermoelectric devices and devices, and more particularly to thin-film thermoelectric energy converters, the principle of operation of which is based on the Seebeck and Peltier effects.

Термоэлектрические эффекты (явления) Зеебека и Пельтье, происходящие в полупроводниковых материалах, обусловлены взаимосвязью протекающих в них тепловых и электрических процессов. Эффект Зеебека заключается в возникновении термо-ЭДС в замкнутой электрической цепи, состоящей из разнородных проводящих материалов, при поддержании поверхностей контакта материалов при разных температурах. В небольшом интервале температур величину термо-ЭДС Е можно считать пропорциональной разности температур: E=α·(T₂-T₁), где α - термоэлектрический коэффициент или коэффициент термо-ЭДС; T₁ - температура горячего контакта разнородных проводящих материалов; Т₂ - температура холодного контакта разнородных проводящих материалов.Seebeck and Peltier thermoelectric effects (phenomena) occurring in semiconductor materials are due to the interconnection of thermal and electrical processes occurring in them. The Seebeck effect is the occurrence of thermo-EMF in a closed electrical circuit consisting of dissimilar conductive materials, while maintaining the contact surfaces of the materials at different temperatures. In a small temperature range, the value of thermo-EMF E can be considered proportional to the temperature difference: E = α · (T ₂ -T ₁ ), where α is the thermoelectric coefficient or coefficient of thermo-EMF; T ₁ - hot contact temperature of heterogeneous conductive materials; T ₂ - cold contact temperature of heterogeneous conductive materials.

Эффект Пельтье представляет собой термоэлектрическое явление, при котором в результате протекания электрического тока через контактную поверхность двух разнородных проводящих материалов происходит выделение или поглощение тепла. Количество выделенного или поглощенного тепла Q зависит от вида контактирующих проводящих материалов, направления и силы протекающего в замкнутой электрической цепи тока: Q=П·I·t=(П₁-П₂)·I·t где I - сила тока; t - время протекания тока; П - коэффициент Пельтье для контакта разнородных проводящих материалов; П₁ и П₂ - абсолютные коэффициенты Пельтье для разнородных проводящих материалов. Коэффициент Пельтье П и коэффициент термо-ЭДС α связаны между собой соотношением Томсона: П=α·Т, где Т - абсолютная температура контакта разнородных проводящих материалов (°K).The Peltier effect is a thermoelectric phenomenon in which heat is generated or absorbed as a result of an electric current flowing through the contact surface of two dissimilar conductive materials. The amount of generated or absorbed heat Q depends on the type of contacting conductive materials, the direction and strength of the current flowing in a closed electric circuit: Q = П · I · t = (П _1- П ₂ ) · I · t where I is the current strength; t is the current flow time; P - Peltier coefficient for the contact of heterogeneous conductive materials; P ₁ and P ₂ - absolute Peltier coefficients for heterogeneous conductive materials. The Peltier coefficient P and the coefficient of thermo-EMF α are interconnected by the Thomson relation: P = α · T, where T is the absolute contact temperature of dissimilar conductive materials (° K).

Эффективность термоэлектрического преобразования определяется величиной Z, которая зависит от физических свойств материалов преобразователя: Z=α²·σ/χ, где α - коэффициент термо-ЭДС, σ - удельная электропроводность полупроводникового материала, χ - удельная теплопроводность полупроводникового материала. Оптимальное соотношение σ и χ обеспечивают полупроводниковые материалы, для которых величина эффективности преобразования энергии, как правило, составляет примерно 3·10^-3/°K. В настоящее время лучшими объемными термоэлектрическими материалами являются сильно легированные полупроводники с концентрацией электронов порядка 10¹⁹ см^-3. Согласно указанному выше соотношению эффективность преобразования энергии зависит, наряду с величинами электропроводности и теплопроводности используемых материалов, от термоэлектрических коэффициентов α и П, которые характеризуют степень совершенства конструкции термоэлектрического преобразователя энергии.The efficiency of thermoelectric conversion is determined by the value of Z, which depends on the physical properties of the materials of the transducer: Z = α ² The optimal ratio of σ and χ is provided by semiconductor materials, for which the value of the energy conversion efficiency, as a rule, is approximately 3 · 10 ^-3 / ° K. Currently, the best bulk thermoelectric materials are heavily doped semiconductors with an electron concentration of about 10 ¹⁹ cm ^-3 . According to the above ratio, the energy conversion efficiency depends, along with the electrical conductivity and thermal conductivity of the materials used, on the thermoelectric coefficients α and P, which characterize the degree of perfection of the design of the thermoelectric energy converter.

Улучшение свойств термоэлектрических материалов в основном связано либо с увеличением фактора мощности материала Z*(Z*=α²·σ), либо с уменьшением теплопроводности используемого материала χ. Наибольшее распространение получили полупроводниковые материалы, исходными веществами для которых являются висмут, сурьма, селен и теллур. Полупроводниковые сплавы (Bi_1-XSb)₂Se_1-YTe_Y)₃ относятся к числу лучших промышленно производимых термоэлектрических материалов. Широко используют на практике термоэлектрические материалы PbS, PbTe и их сплавы с SnTe и PbSe, в том числе тройные или четверные твердые растворы типа Pb_1-XSn_XTe_1-YSe_Y, а также аналогичные сплавы (GeTe)_1-X(AgSbTe2)_X, AgPb_mSbTe_2+m.The improvement in the properties of thermoelectric materials is mainly associated either with an increase in the power factor of the material Z * (Z * = α ² · σ), or with a decrease in the thermal conductivity of the used material χ. The most widely used semiconductor materials, the starting materials for which are bismuth, antimony, selenium and tellurium. Semiconductor alloys (Bi _1-X Sb) ₂ Se _1-Y Te _Y ) ₃ are among the best industrially produced thermoelectric materials. Thermoelectric materials PbS, PbTe and their alloys with SnTe and PbSe are widely used in practice, including ternary or quaternary solid solutions of the Pb _1-X Sn _X Te _1-Y Se _{Y type} , as well as similar alloys (GeTe) _1-X ( AgSbTe2) _X , AgPb _m SbTe _{2 + m} .

К термоэлектрическим преобразователям энергии предъявляется ряд технических требований. Устройства должны обладать максимальным термическим сопротивлением тепловому потоку и обеспечивать заданные теплофизические параметры на теплообменных поверхностях. Так, например, в преобразователях тепловой энергии в электрическую энергию на горячей поверхности требуется контакт с внешним источником тепловой энергии (окружающей средой при высокой температуре), а на холодной поверхности - конвективный теплообмен с окружающей средой при низкой температуре. Полупроводниковые преобразователи должны обеспечивать максимально возможный перепад температур между холодной и горячей теплообменными поверхностями и максимальный градиент концентраций носителей заряда (электронов и дырок) между противоположными теплообменными частями устройства.A number of technical requirements are imposed on thermoelectric energy converters. Devices must have maximum thermal resistance to heat flux and provide specified thermophysical parameters on heat exchange surfaces. So, for example, in converters of thermal energy into electrical energy on a hot surface, contact with an external source of thermal energy (environment at high temperature) is required, and on a cold surface - convective heat exchange with the environment at low temperature. Semiconductor converters should provide the maximum possible temperature difference between cold and hot heat-exchange surfaces and the maximum concentration gradient of charge carriers (electrons and holes) between opposite heat-exchange parts of the device.

Для решения указанных задач в термоэлектрических преобразователях энергии используются тонкопленочные элементы (ячейки), обладающие термической, механической и радиационной устойчивостью в условиях эксплуатации. Каждая проводящая термоэлектрическая ветвь устройства должна находиться в непосредственном тепловом контакте с холодным и горячим теплообменными слоями. В связи с тем, что теплопроводность термоэлектрического материала достаточно высока, термоэлектрическая пленка должна занимать как можно меньшую долю объема многослойной структуры устройства. Остальная часть объема структуры заполняется электро- и теплоизолирующим материалом, обладающим низкой теплопроводностью, механической прочностью, химической, термической и радиационной устойчивостью. Кроме того, преобразователь должен работать при изменении направления (инверсии) теплового потока.To solve these problems in thermoelectric energy converters, thin-film elements (cells) are used that have thermal, mechanical and radiation stability in operating conditions. Each conductive thermoelectric branch of the device should be in direct thermal contact with cold and hot heat-exchange layers. Due to the fact that the thermal conductivity of the thermoelectric material is quite high, the thermoelectric film should occupy as little as possible a fraction of the volume of the multilayer structure of the device. The rest of the volume of the structure is filled with electric and heat-insulating material with low thermal conductivity, mechanical strength, chemical, thermal and radiation stability. In addition, the converter should work when the direction (inversion) of the heat flux changes.

В опубликованной международной заявке WO 2015033797 A1 (дата публикации: 12.03.2015) описано термоэлектрическое устройство для преобразования энергии. Устройство содержит по меньшей мере один термоэлектрический преобразующий элемент (ячейку), установленный на подложке. Контактные поверхности термоэлектрического элемента соединены с двумя электродами. Элемент выполнен в виде тонкого слоя, содержащего термоэлектрический органический материал. На внешнюю поверхность термоэлектрического элемента и контактирующего с ним электрода нанесено защитное покрытие и органическое связующее вещество.Published international application WO 2015033797 A1 (publication date: 03/12/2015) describes a thermoelectric device for converting energy. The device comprises at least one thermoelectric converting element (cell) mounted on a substrate. The contact surfaces of the thermoelectric element are connected to two electrodes. The element is made in the form of a thin layer containing thermoelectric organic material. A protective coating and an organic binder are applied to the outer surface of the thermoelectric element and the electrode in contact with it.

В опубликованной патентной заявке JPS 63102382 A (дата публикации: 07.05.1988) описан гибкий термоэлектрический модуль, включающий в свой состав слой изолятора, электроды и тонкопленочный слой термоэлектрического материала на основе соединений FeSi2 и CrSi2, нанесенный на гибкую подложку. На подложке сформирован изолирующий слой SiO₂, на который последовательно нанесены тонкие слои алюминия, соединения FeSi₂ и алюминия.The published patent application JPS 63102382 A (publication date: 05/07/1988) describes a flexible thermoelectric module including an insulator layer, electrodes and a thin film layer of thermoelectric material based on FeSi2 and CrSi2 compounds deposited on a flexible substrate. An SiO ₂ insulating layer is formed on the substrate, on which thin layers of aluminum, FeSi ₂ compounds and aluminum are successively deposited.

В опубликованной патентной заявке JP 2000286464 A (дата публикации: 13.10.2000) описана конструкция термоэлектрического модуля. Модуль содержит последовательно соединенные между собой полупроводниковые ячейки с n- и р-типом проводимости. Полупроводниковые ячейки ориентированы ортогонально плоскостям теплообмена и соединены между собой электродами, расположенными параллельно плоскостям теплообмена. На поверхность полупроводниковых ячеек и электродов нанесен слой теплопроводящего электроизолирующего материала.The published patent application JP 2000286464 A (publication date: 10/13/2000) describes the design of the thermoelectric module. The module contains semiconductor cells with n- and p-type conductivity connected in series. Semiconductor cells are oriented orthogonally to the heat transfer planes and are interconnected by electrodes located parallel to the heat transfer planes. A layer of heat-conducting electrically insulating material is deposited on the surface of semiconductor cells and electrodes.

В патентах US 8129609 B2 (опубликован 06.03.2012) и US 7544883 B2 (опубликован 09.06.2009) описано термоэлектрическое охлаждающее устройство. На слое изолятора (подложке) сформирована ступенчатая структура с выступами трапецеидальной формы. На противоположных боковых поверхностях выступов методом осаждения образованы термоэлементы с n- и р-типом проводимости. На вершинах выступов и дне впадин ступенчатой структуры нанесено металлическое покрытие, обеспечивающее электрический контакт между близлежащими термоэлектрическими элементами. С помощью металлических контактов элементов термоэлектрические элементы соединены между собой в последовательную цепь. Контакты расположены параллельно поверхностям теплообмена ступенчатой структуры. Термоэлектрическая структура соединена через теплопроводящий слой с охлаждаемой поверхностью полупроводникового устройства.In patents US 8129609 B2 (published March 6, 2012) and US 7544883 B2 (published June 9, 2009) describe a thermoelectric cooling device. A stepped structure with trapezoidal protrusions is formed on the insulator layer (substrate). Thermoelements with n- and p-type conductivity are formed on the opposite lateral surfaces of the protrusions by the deposition method. On the tops of the protrusions and the bottom of the depressions of the stepped structure, a metal coating is applied, which provides electrical contact between nearby thermoelectric elements. Using metal contacts of the elements, thermoelectric elements are interconnected in a series circuit. The contacts are parallel to the heat exchange surfaces of the stepped structure. The thermoelectric structure is connected through a heat-conducting layer to the cooled surface of the semiconductor device.

Для упрощения технологии изготовления термоэлектрического преобразователя, состоящего из соединенных между собой термоэлектрических элементов, полупроводниковые пленки наносят на отдельные элементы-подложки, выполненные из электро- и теплоизолирующего материала (см., например, патентную заявку US 2012/0064656, опубликованную 15.03.2012). Термоэлектрические элементы затем соединяются между собой с помощью пленочных контактных электродов. Толщина наносимых полупроводниковых покрытий может изменяться в широком диапазоне значений и определяется технологическими возможностями используемого метода. Термоэлектрические ветви с n- и p-типами проводимости соединяются на торцевых поверхностях термоэлектрических элементов встык либо внахлест. Электропроводящее покрытие, используемое в качестве контактных электродов, наносится на боковые поверхности термоэлектрических ячеек - на проводящие участки термоэлектрических ветвей. Следует отметить, что данный способ используется для изготовления отдельных термоэлектрических элементов, ветви которых не образуют контактные р-n переходы с генерирующими участками соседних термоэлектрических ячеек. Выбор конкретного типа соединения (встык или внахлест) термоэлектрических ветвей с n- и р-проводимостью не зависит, как следует из описания способа, от теплофизических и электрофизических свойств контактирующих между собой полупроводниковых участков p-n перехода, а определяется лишь размерами термоэлектрической ячейки и технологическими возможностями используемого метода нанесения покрытия.To simplify the manufacturing technology of a thermoelectric converter consisting of interconnected thermoelectric elements, semiconductor films are applied to individual substrate elements made of electrical and heat insulating material (see, for example, patent application US 2012/0064656, published March 15, 2012). The thermoelectric elements are then interconnected using film contact electrodes. The thickness of the applied semiconductor coatings can vary over a wide range of values and is determined by the technological capabilities of the method used. Thermoelectric branches with n- and p-types of conductivity are connected on the end surfaces of thermoelectric elements butt or lap. An electrically conductive coating used as contact electrodes is applied to the side surfaces of thermoelectric cells - to the conductive sections of thermoelectric branches. It should be noted that this method is used for the manufacture of individual thermoelectric elements, the branches of which do not form contact pn junctions with generating sections of adjacent thermoelectric cells. The choice of a specific type of connection (butt or lap) of thermoelectric branches with n- and p-conductivity does not depend, as follows from the description of the method, on the thermophysical and electrophysical properties of the semiconductor sections of the pn junction in contact, but is determined only by the dimensions of the thermoelectric cell and the technological capabilities of the used coating method.

Наиболее близким аналогом изобретения является термоэлектрический преобразователь энергии, описанный в опубликованной патентной заявке JPH 10303469 А (дата публикации: 13.11.1998). Термоэлектрический преобразователь может работать в двух режимах: в режиме преобразования тепловой энергии в электрическую (при реализации эффекта Зеебека) и в режиме преобразования электрической энергии в тепловую (при реализации эффекта Пельтье). Для снижения потерь энергии используется ступенчатая тонкопленочная структура, состоящая из тонкопленочных термоэлектрических ветвей, выполненных из полупроводниковых материалов с n- и р-типами проводимости. Термоэлектрические ветви последовательно соединены между собой через контактные поверхности (контактные р-n переходы) в электрические цепи.The closest analogue of the invention is a thermoelectric energy converter described in published patent application JPH 10303469 A (publication date: 11/13/1998). A thermoelectric converter can operate in two modes: in the mode of converting thermal energy into electrical energy (when implementing the Seebeck effect) and in the mode of converting electric energy into thermal energy (when implementing the Peltier effect). To reduce energy losses, a stepwise thin-film structure is used, consisting of thin-film thermoelectric branches made of semiconductor materials with n- and p-types of conductivity. Thermoelectric branches are connected in series through contact surfaces (contact pn junctions) into electrical circuits.

Тонкопленочная ступенчатая структура расположена между теплообменными слоями и электроизолирована от их поверхности. Соединения термоэлектрических ветвей с n- и р-типами проводимости имеют трапецеидальное поперечное сечение. Термоэлектрические ветви тонкопленочной структуры выполнены с двумя генерирующими участками, которые контактируют с противоположными теплообменными слоями. Участки термоэлектрических ветвей, генерирующие носители заряда, соединены между собой электропроводящими перемычками, выполненными из того же материала, что и соединяемые генерирующие участки. Между ступенчатыми переходами тонкопленочной структуры образованы вакуумированные полости. Данное выполнение термоэлектрической структуры позволяет снизить теплопроводность между поверхностями теплообмена и за счет этого уменьшить потери тепловой энергии.A thin-film step structure is located between the heat-exchange layers and is electrically insulated from their surface. Connections of thermoelectric branches with n- and p-types of conductivity have a trapezoidal cross section. The thermoelectric branches of the thin-film structure are made with two generating sections that are in contact with opposite heat-exchange layers. The sections of thermoelectric branches generating charge carriers are interconnected by electrically conductive jumpers made of the same material as the connected generating sections. Vacuum cavities are formed between the step transitions of the thin-film structure. This embodiment of the thermoelectric structure allows to reduce the thermal conductivity between the heat exchange surfaces and thereby reduce the loss of thermal energy.

В известных преобразователях-аналогах поверхность контактного р-n перехода между контактирующими участками близлежащих термоэлектрических ветвей расположена ортогонально относительно поверхности теплообмена, а сами контактирующие участки соединены между собой встык. При использовании данного типа соединения контактная поверхность р-n перехода ориентирована параллельно направлению распространения тепловых потоков. В этом случае поглощаемая или выделяемая энергия (в зависимости от режима работы преобразователя энергии) неэффективно используется вследствие выбранной ориентации близлежащих активных участков соседних термоэлектрических ветвей относительно поверхности теплообмена. Для повышения удельной (на единицу площади поверхности теплообмена) эффективности преобразования энергии необходимо обеспечить наибольшую площадь контакта пленочных термоэлектрических ветвей при минимальном размере термоэлектрической ячейки. При малой контактной поверхности участков термоэлектрических ветвей, в которых происходит генерация носителей зарядов, возрастает электрическое сопротивление соединения полупроводниковых пленок. С увеличением площади зоны генерации носителей зарядов в тонкопленочных термоэлектрических ветвях повышается удельная эффективность преобразования энергии при неизменном размере ячейки.In known analog converters, the surface of the contact pn junction between the contacting sections of the adjacent thermoelectric branches is located orthogonally with respect to the heat exchange surface, and the contacting sections themselves are end-to-end. When using this type of connection, the contact surface of the pn junction is oriented parallel to the direction of propagation of the heat fluxes. In this case, the absorbed or released energy (depending on the operating mode of the energy converter) is inefficiently used due to the selected orientation of the nearby active sections of neighboring thermoelectric branches relative to the heat exchange surface. To increase the specific (per unit surface area of heat transfer) energy conversion efficiency, it is necessary to provide the largest contact area of film thermoelectric branches with a minimum size of the thermoelectric cell. With a small contact surface of the sections of thermoelectric branches in which the generation of charge carriers takes place, the electrical resistance of the compound of semiconductor films increases. With an increase in the area of the zone of generation of charge carriers in thin-film thermoelectric branches, the specific energy conversion efficiency increases with a constant cell size.

Изобретение направлено на более полное использование поверхности полупроводниковых пленок с целью эффективного преобразования энергии при использовании термоэлектрических явлений. Для этого необходимо обеспечить ориентацию контактирующих участков термоэлектрических ветвей параллельно другу вдоль поверхностей теплообмена. Такая ориентация обеспечивается при соединении термоэлектрических ветвей внахлест вблизи поверхности теплообмена. Технические результаты, достигаемые при решении поставленной задачи, заключается в повышении удельной (на единицу площади поверхности теплообмена) эффективности преобразования энергии и уменьшении размеров и массы термоэлектрического преобразователя энергии. При этом с помощью устройства может осуществляться преобразование как тепловой, так и электрической энергии в зависимости от используемого термоэлектрического эффекта (эффекта Зеебека или Пельтье).The invention is aimed at a more complete use of the surface of semiconductor films in order to efficiently convert energy when using thermoelectric phenomena. For this, it is necessary to ensure that the contacting sections of the thermoelectric branches are oriented parallel to each other along the heat exchange surfaces. This orientation is ensured when thermoelectric branches overlap near the heat exchange surface. The technical results achieved in solving the problem lies in increasing the specific (per unit heat exchange surface area) energy conversion efficiency and reducing the size and mass of the thermoelectric energy converter. In this case, using the device, both thermal and electric energy can be converted depending on the thermoelectric effect used (Seebeck or Peltier effect).

Достижение технических результатов обеспечивается с помощью термоэлектрического преобразователя энергии, содержащего по меньшей мере одну термоэлектрическую ячейку с пленочными термоэлектрическими ветвями, выполненными из полупроводниковых материалов с n- и р-проводимостью. Преобразователь содержит теплообменные слои, в пространстве между которыми расположены последовательно соединенные между собой термоэлектрические ветви с n- и р-проводимостью, электроизолированные от поверхности теплообменных слоев. С термоэлектрическими ветвями соединены электрические контакты устройства. Пространство между теплообменными слоями и термоэлектрическими ветвями заполнено электро- и теплоизолирующим материалом. Термоэлектрические ветви выполнены с двумя генерирующими участками, каждый из которых образует тепловой контакт с одним из противоположно расположенных теплообменных слоев. Генерирующие участки каждой термоэлектрической ветви соединены между собой электропроводящим участком и образуют контактные р-n переходы с близлежащими участками соседних термоэлектрических ветвей.The achievement of technical results is achieved by using a thermoelectric energy converter containing at least one thermoelectric cell with film thermoelectric branches made of semiconductor materials with n- and p-conductivity. The converter contains heat-exchange layers, in the space between which thermoelectric branches with n- and p-conductivity are connected in series, electrically isolated from the surface of the heat-exchange layers. The thermoelectric branches are connected to the electrical contacts of the device. The space between the heat exchange layers and thermoelectric branches is filled with electric and heat insulating material. Thermoelectric branches are made with two generating sections, each of which forms thermal contact with one of the oppositely located heat-exchange layers. The generating sections of each thermoelectric branch are interconnected by an electrically conductive section and form contact pn junctions with neighboring sections of neighboring thermoelectric branches.

Согласно изобретению генерирующие участки термоэлектрических ветвей в области контактных р-n переходов соединены между собой внахлест, то есть с взаимным перекрытием соединяемых поверхностей участков, в направлении, ориентированном вдоль теплообменных слоев. Толщина каждого генерирующего заряды участка выбирается в диапазоне от 50 нм до 5 мкм. Протяженность каждого контактного р-n перехода вдоль направления соединения термоэлектрических ветвей превышает толщину любого из генерирующих участков. Поверхность контактного р-n перехода между контактирующими участками термоэлектрических ветвей должна быть обращена к поверхности теплообменного слоя, расположенного в области данного контактного р-n перехода.According to the invention, the generating sections of thermoelectric branches in the region of contact pn junctions are overlapped, that is, with the mutual overlapping of the connected surfaces of the sections, in a direction oriented along the heat exchange layers. The thickness of each site generating charges is selected in the range from 50 nm to 5 μm. The length of each contact pn junction along the direction of connection of thermoelectric branches exceeds the thickness of any of the generating sections. The surface of the contact pn junction between the contacting sections of the thermoelectric branches should be facing the surface of the heat exchange layer located in the region of this contact pn junction.

За счет соединения тонкопленочных термоэлектрических ветвей внахлест существенно увеличивается площадь поверхности контактного р-n перехода и снижается величина термического сопротивления соединенных генерирующих участков, в которых происходит образование носителей заряда при реализации эффекта Зеебека или тепловых потоков при реализации эффекта Пельтье. Существенным условием для снижения термического сопротивления контактного р-n перехода является выбор толщины соединенных между собой генерирующих участков термоэлектрических ветвей. Для эффективного теплообмена между теплообменным слоем и находящимися в тепловом контакте с ним участками термоэлектрических ветвей, выполненными из полупроводникового материала, необходимо обеспечить минимальную толщину генерирующих участков в направлении действия тепловых потоков.Due to the overlap of thin-film thermoelectric branches, the surface area of the contact pn junction increases significantly and the thermal resistance of the connected generating sections in which the formation of charge carriers occurs when the Seebeck effect or heat flows occurs when the Peltier effect is realized is reduced. An essential condition for reducing the thermal resistance of the contact pn junction is the choice of the thickness of the interconnected generating sections of thermoelectric branches. For effective heat transfer between the heat exchange layer and the sections of thermoelectric branches made of semiconductor material that are in thermal contact with it, it is necessary to ensure the minimum thickness of the generating sections in the direction of action of heat fluxes.

В рассматриваемой конструкции термоэлектрического преобразователя направление тепловых потоков определяется взаимной ориентацией теплообменных слоев и поверхности контактного р-n перехода. Поскольку поверхность контактного р-n перехода между контактирующими участками термоэлектрических ветвей обращена к поверхности теплообменного слоя, тепловые потоки ориентированы в большей части ортогонально относительно контактных поверхностей пленочных термоэлектрических ветвей. В соответствии с выбранной конфигурацией термоэлектрической структуры толщина пленок должна быть минимальной для снижения тепловых потерь и повышения теплопроводности между контактирующими пленочными слоями. Вместе с тем толщина полупроводниковых пленок должна быть достаточной для эффективной генерации носителей заряда и тепловых потоков. На основании второго условия, с учетом используемых в термоэлектрических преобразователях полупроводниковых материалов, определены граничные значения толщины полупроводниковых пленок: от 50 нм до 5 мкм. Данные граничные значения толщин пленок рассчитаны на основании экспериментальных данных, полученных при исследовании используемых в термоэлектрических преобразователях полупроводниковых материалов. Для указанного диапазона толщин полупроводниковых пленок в области контактного р-n перехода достигаются максимальные значения концентраций носителей заряда и обеспечивается максимальное значение коэффициента термо-ЭДС и коэффициента Пельтье. При использовании полупроводниковых термоэлектрических ветвей с толщинами, превосходящими максимальную границу диапазона (5 мкм), увеличивается масса и габариты термоэлектрического преобразователя, а при толщинах пленок, меньших нижнего предела (50 нм) - существенно снижается эффективность преобразования энергии вследствие уменьшения концентрации носителей заряда (для эффекта Зеебека) и контактной разности потенциалов (для эффекта Пельтье).In the design of the thermoelectric converter under consideration, the direction of heat flows is determined by the mutual orientation of the heat transfer layers and the surface of the contact pn junction. Since the surface of the contact pn junction between the contacting sections of the thermoelectric branches faces the surface of the heat exchange layer, the heat fluxes are oriented mostly orthogonally with respect to the contact surfaces of the film thermoelectric branches. In accordance with the chosen configuration of the thermoelectric structure, the film thickness should be minimal to reduce heat loss and increase thermal conductivity between the contacting film layers. At the same time, the thickness of the semiconductor films should be sufficient for efficient generation of charge carriers and heat fluxes. Based on the second condition, taking into account the semiconductor materials used in thermoelectric converters, the boundary values of the thickness of semiconductor films are determined: from 50 nm to 5 μm. These boundary values of the film thicknesses are calculated on the basis of experimental data obtained in the study of semiconductor materials used in thermoelectric converters. For the indicated range of thicknesses of semiconductor films in the region of the contact pn junction, the maximum concentrations of charge carriers are reached and the maximum value of the thermo-emf coefficient and the Peltier coefficient are provided. When using semiconductor thermoelectric branches with thicknesses exceeding the maximum range limit (5 μm), the mass and dimensions of the thermoelectric converter increase, and with film thicknesses lower than the lower limit (50 nm), the energy conversion efficiency is significantly reduced due to a decrease in the concentration of charge carriers (for the effect Seebeck) and contact potential difference (for the Peltier effect).

При соединении генерирующих участков термоэлектрических ветвей в области контактных р-n переходов внахлест, заданной толщине пленок и выбранной ориентации поверхности контактного р-n перехода относительно теплообменного слоя увеличивается площадь зоны генерации носителей заряда и тепловых потоков в каждом из контактирующих друг с другом участков термоэлектрических ветвей. В результате увеличивается поток носителей заряда, проходящих через поверхность контактного р-n перехода, что обеспечивает повышение эффективности преобразования энергии при минимальном размере термоэлектрических ячеек.When connecting the generating sections of thermoelectric branches in the region of contact pn junctions with an overlap, the specified film thickness and the selected orientation of the surface of the contact pn junction with respect to the heat transfer layer, the area of the zone of generation of charge carriers and heat fluxes in each of the sections of thermoelectric branches in contact with each other increases. As a result, the flow of charge carriers passing through the surface of the pn junction increases, which provides an increase in the efficiency of energy conversion with a minimum size of thermoelectric cells.

В случае реализации термоэлектрического эффекта Пельтье увеличение зоны генерации также приводит к повышению эффективности преобразования энергии (электрической энергии в тепловую) за счет увеличения тепловых потоков, образующихся в контактном р-n переходе. Данное явление связано с увеличением контактной разности потенциалов между генерирующими участками в области контактного р-n перехода. При этом теплообмен между соединенными термоэлектрическими ветвями и теплообменными слоями происходит с минимальными тепловыми потерями из-за высокой теплопроводности контактных р-n переходов, контактная поверхность которых обращена к теплообменным слоям. Данный эффект связан с выбором толщины соединенных внахлест полупроводниковых пленок.In the case of realization of the Peltier thermoelectric effect, an increase in the generation zone also leads to an increase in the efficiency of energy conversion (electric energy into heat) due to an increase in heat fluxes generated in the contact pn junction. This phenomenon is associated with an increase in the contact potential difference between the generating sections in the region of the contact pn junction. In this case, heat transfer between the connected thermoelectric branches and heat transfer layers occurs with minimal heat loss due to the high thermal conductivity of the contact pn junctions, the contact surface of which is facing the heat transfer layers. This effect is associated with the choice of the thickness of the overlapped semiconductor films.

Для оптимизации удельной эффективности преобразования энергии и габаритных размеров устройства наиболее предпочтителен диапазон толщин генерирующих участков от 500 нм до 1,5 мкм.To optimize the specific energy conversion efficiency and overall dimensions of the device, the thickness range of the generating sections from 500 nm to 1.5 μm is most preferable.

Соединение генерирующих участков термоэлектрических ветвей внахлест (с взаимным перекрытием контактирующих поверхностей) в области контактных р-n переходов обеспечивает также упрощение технологии изготовления термоэлектрического преобразователя энергии по сравнению с технологией соединения тонкопленочных термоэлектрических ветвей встык. При соединении участков термоэлектрических ветвей внахлест не требуется точное соблюдение границ наносимых покрытий в области контактного р-n перехода, что необходимо при изготовлении устройств-аналогов. Исходя из технологических возможностей, контактные поверхности генерирующих носители заряда участков термоэлектрических ветвей могут иметь сложную поверхность с участками, расположенными параллельно поверхности теплообменного слоя в области контактного р-n перехода, либо наклонно (под острым углом) относительно поверхности теплообменного слоя. В предпочтительном варианте осуществления изобретения пленочные покрытия наносятся таким образом, чтобы поверхность контактного р-n перехода между контактирующими участками термоэлектрических ветвей была ориентирована параллельно поверхности теплообменного слоя, расположенного вблизи от контактного р-n перехода.The overlapping connection of the generating sections of thermoelectric branches (with overlapping contact surfaces) in the region of contact pn junctions also provides a simplification of the technology for manufacturing a thermoelectric energy converter in comparison with the technology of joining thin-film thermoelectric branches end-to-end. When connecting sections of thermoelectric branches with an overlap, exact observance of the boundaries of the applied coatings in the region of the contact pn junction is not required, which is necessary in the manufacture of analog devices. Based on technological capabilities, the contact surfaces of the charge carrier-generating sections of thermoelectric branches can have a complex surface with sections parallel to the surface of the heat transfer layer in the region of the contact pn junction, or obliquely (at an acute angle) relative to the surface of the heat transfer layer. In a preferred embodiment of the invention, the film coatings are applied so that the surface of the contact pn junction between the contacting portions of the thermoelectric branches is oriented parallel to the surface of the heat exchange layer located close to the contact pn junction.

Важным преимуществом термоэлектрического преобразователя энергии является функциональное разделение термоэлектрических ветвей в каждой ячейке на два генерирующих участка, образующих протяженные зоны генерации, и электропроводящий участок, выполняющую функцию зоны транспортировки носителей заряда. Генерирующие участки должны обеспечивать максимально возможную концентрацию носителей заряда или максимальную контактную разность потенциалов, а электропроводящие участки - высокую проводимость (низкое удельное сопротивление) для транспортировки носителей зарядов между зонами генерации. Проводящая функция обеспечивается за счет подбора оптимальной толщины и длины электропроводящего участка. Для повышения проводимости используются материалы и технологии, позволяющие уменьшить количество дефектов и снизить рассеяние носителей заряда. Вместе с тем электропроводящий участок, являющийся тепловым проводником между противоположными теплообменными слоями, должен обладать минимальной теплопроводностью для обеспечения заданного перепада температур ΔT между противоположными поверхностями преобразователя.An important advantage of a thermoelectric energy converter is the functional separation of thermoelectric branches in each cell into two generating sections, which form extended generation zones, and an electrically conductive section that performs the function of a carrier transport zone. The generating sections should provide the maximum possible concentration of charge carriers or the maximum contact potential difference, and the electrically conductive sections - high conductivity (low resistivity) for transporting charge carriers between the generation zones. The conductive function is ensured by selecting the optimal thickness and length of the electrically conductive section. To increase the conductivity, materials and technologies are used to reduce the number of defects and reduce the scattering of charge carriers. At the same time, the electrically conductive section, which is a thermal conductor between opposite heat-exchange layers, must have a minimum thermal conductivity to ensure a given temperature difference ΔT between opposite surfaces of the converter.

Электропроводящий участок может быть выполнен из полупроводникового материала, идентичного по составу с полупроводниковым материалом, из которого выполнены соединяемые генерирующие участки термоэлектрической ветви. Электропроводящий участок может быть также выполнен из металла или сплава металлов. В последнем случае в зоне контактов с полупроводниковыми участками возникает потенциальный барьер для носителей заряда. Величину возникающих при работе устройства потенциальных барьеров можно снизить путем подбора материалов контактирующих тонкопленочных слоев.The electrically conductive section may be made of a semiconductor material identical in composition to the semiconductor material from which the connected generating sections of the thermoelectric branch are made. The electrically conductive section may also be made of metal or an alloy of metals. In the latter case, a potential barrier for charge carriers arises in the zone of contacts with semiconductor regions. The potential barriers arising during the operation of the device can be reduced by selecting materials of the contacting thin-film layers.

Электропроводящий участок предпочтительно выполняется из материала, удельная электропроводность которого превышает максимальную величину удельной электропроводности материалов, из которых выполнены соединяемые электропроводящим участком генерирующие участки термоэлектрической ветви.The electrically conductive section is preferably made of a material whose conductivity exceeds the maximum value of the specific conductivity of the materials from which the generating sections of the thermoelectric branch connected by the electrically conductive section are made.

Целесообразно выполнять электропроводящий участок из полупроводникового материала, степень легирования которого отличается от степени легирования полупроводникового материала, из которого выполнены соединяемые генерирующие участки термоэлектрической ветви. Диапазон легирования может выбираться в широком диапазоне оптимальных значений от 10¹⁸ см^-3 до 10²¹ см^-3.It is advisable to perform an electrically conductive section of a semiconductor material, the degree of doping of which differs from the degree of doping of the semiconductor material from which the connected generating sections of the thermoelectric branch are made. The doping range can be selected in a wide range of optimal values from 10 ¹⁸ cm ^-3 to 10 ²¹ cm ^-3 .

Поверхностные слои генерирующих участков термоэлектрических ветвей, расположенных в области контактного р-n перехода, могут выполняться из полупроводниковых материалов с различной степенью легирования. Дифференцированное легирование поверхностных слоев генерирующих участков термоэлектрических ветвей позволяет контролируемо изменять величину потенциального барьера между контактными поверхностями полупроводниковых пленок с n- и р-типами проводимости.The surface layers of the generating sections of thermoelectric branches located in the region of the contact pn junction can be made of semiconductor materials with various degrees of doping. Differentiated doping of the surface layers of the generating sections of thermoelectric branches makes it possible to control the change in the potential barrier between the contact surfaces of semiconductor films with n- and p-types of conductivity.

Между контактирующими поверхностями генерирующих участков термоэлектрических ветвей в области контактного р-n перехода может быть сформирован переходный (буферный) пленочный слой из металла или сплава металлов, например из сплава алюминия.Between the contacting surfaces of the generating sections of thermoelectric branches in the region of the contact pn junction, a transition (buffer) film layer of a metal or metal alloy, for example, aluminum alloy, can be formed.

В качестве материала, заполняющего пространство между теплообменными слоями и термоэлектрическими ветвями, целесообразно использовать полимерный материал, обладающий электро- и теплоизолирующими свойствами. В качестве такого материала может применяться полиимид.As a material filling the space between the heat-exchange layers and thermoelectric branches, it is advisable to use a polymeric material with electrical and heat-insulating properties. As such a material, polyimide may be used.

Для снижения теплопроводности термоэлектрической ячейки между теплообменными слоями в материале, заполняющем пространство между теплообменными слоями и термоэлектрическими ветвями, выполняется по меньшей мере одна полость. Такие полости могут быть образованы канавками изоляторе. Теплоизолирующие полости заполняются инертным газом или вакуумируются. Данное конструктивное выполнение позволяет увеличить разность температур между горячим и холодным теплообменными слоями преобразователя и, как следствие, повысить тепловую эффективность преобразователя.To reduce the thermal conductivity of the thermoelectric cell between the heat exchange layers in the material filling the space between the heat exchange layers and thermoelectric branches, at least one cavity is made. Such cavities can be formed by the grooves of the insulator. Thermal insulating cavities are filled with inert gas or evacuated. This design allows you to increase the temperature difference between the hot and cold heat transfer layers of the transducer and, as a result, increase the thermal efficiency of the transducer.

В предпочтительном варианте выполнения устройства электропроводящий участок имеет плоскую форму - в виде плоской перемычки. Для уменьшения габаритных размеров термоэлектрического преобразователя электропроводящая перемычка располагается под острым углом относительно поверхностей соединяемых ею генерирующих участков термоэлектрической ветви. Данное конструктивное выполнение наиболее эффективно может использоваться при реализации термоэлектрического эффекта Пельтье - в режиме преобразования электрической энергии в тепловую энергию.In a preferred embodiment of the device, the electrically conductive section has a flat shape - in the form of a flat jumper. To reduce the overall dimensions of the thermoelectric converter, the electrically conductive jumper is located at an acute angle relative to the surfaces of the generating sections of the thermoelectric branch connected by it. This design embodiment can be most effectively used when implementing the Peltier thermoelectric effect - in the mode of converting electrical energy into thermal energy.

Для снижения размеров устройства термоэлектрические ветви электроизолируются от поверхности теплообменных слоев с помощью тонкой диэлектрической пленки, нанесенной на внутренние поверхности теплообменных слоев.To reduce the size of the device, thermoelectric branches are electrically insulated from the surface of the heat exchange layers using a thin dielectric film deposited on the inner surface of the heat transfer layers.

При работе устройства в режиме преобразования тепловой энергии в электрическую (при реализации эффекта Зеебека) электрические контакты, соединенные с термоэлектрическими ветвями, подключаются к потребителю электрической энергии.When the device is operating in the mode of converting thermal energy into electrical energy (when implementing the Seebeck effect), electrical contacts connected to thermoelectric branches are connected to the consumer of electric energy.

При работе устройства в режиме преобразования электрической энергии в тепловую энергию (при реализации эффекта Пельтье) электрические контакты, соединенные с термоэлектрическими ветвями, подключаются к внешнему источнику электропитания.When the device is operating in the mode of converting electrical energy into thermal energy (when implementing the Peltier effect), electrical contacts connected to thermoelectric branches are connected to an external power source.

Далее изобретение поясняется описанием конкретных примеров выполнения термоэлектрического преобразователя энергии. На прилагаемых чертежах изображено следующее:The invention is further illustrated by the description of specific examples of thermoelectric energy converter. The accompanying drawings show the following:

на фиг. 1 - схематичный разрез термоэлектрической ячейки преобразователя энергии;in FIG. 1 is a schematic section of a thermoelectric cell of an energy converter;

на фиг. 2 - схематичный разрез термоэлектрической ячейки преобразователя энергии с полостями, выполненными в изолирующем материале;in FIG. 2 is a schematic sectional view of a thermoelectric cell of an energy converter with cavities made in an insulating material;

на фиг. 3 - схематичный разрез термоэлектрического преобразователя энергии с последовательным соединением термоэлектрических ячеек.in FIG. 3 is a schematic sectional view of a thermoelectric energy converter with a series connection of thermoelectric cells.

Термоэлектрический преобразователь энергии содержит ряд последовательно соединенных между собой термоэлектрических ячеек с пленочными термоэлектрическими ветвями, которые выполнены из полупроводниковых материалов с n- и р-проводимостью. В рассматриваемом примере конструкции, изображенном на фиг. 1, тонкопленочные термоэлектрические ветви, обладающие n-проводимостью, выполнены из состава, имеющего следующую общую формулу: Bi₂(Se_1-YTe_Y)₃. В качестве материала тонкопленочных термоэлектрических ветвей, обладающих р-проводимостью, применяется состав, имеющий общую формулу: (Bi_1-XSb_X)₂Te₃. В частности, для термоэлектрических ветвей с n-проводимостью используется состав Bi₂Te_2,7Se_0,3, а для термоэлектрических ветвей с р-проводимостью - состав Bi_0,5Sb_1,5Te₃. Указанные составы применимы для работы при температуре окружающей среды от -50°C до +50°C.The thermoelectric energy converter contains a series of thermoelectric cells connected in series with each other with film thermoelectric branches, which are made of semiconductor materials with n- and p-conductivity. In this example construction shown in FIG. 1, thin-film thermoelectric branches having n-conductivity are made of a composition having the following general formula: Bi ₂ (Se _1-Y Te _Y ) ₃ . As the material of thin-film thermoelectric branches with p-conductivity, a composition is used that has the general formula: (Bi _1-X Sb _X ) ₂ Te ₃ . In particular, the composition Bi ₂ Te _2.7 Se _{0.3 is} used for thermoelectric branches with n-conductivity, and the composition Bi _0.5 Sb _1.5 Te _{3 is used} for thermoelectric branches with p-conductivity. These formulations are suitable for use at ambient temperatures from -50 ° C to + 50 ° C.

Полупроводниковые материалы могут включать следующие легирующие примеси: Cu, In, Ge, S, Se, Cd, Ag. При более высоких температурах используются составы на основе PbTe, легированные примесями: Ge, Ag, I и Те. Наряду с приведенными выше составами могут использоваться следующие составы: Ga₂Se₃, Si_1-XGe_X, Zn₄Sb₃, CsBi₄Te₆, AgPb_mSbTe_2+m, CeFe_4-XCo_XSb₁₂.Semiconductor materials may include the following dopants: Cu, In, Ge, S, Se, Cd, Ag. At higher temperatures, compositions based on PbTe doped with impurities: Ge, Ag, I, and Te are used. Along with the above compositions, the following compositions can be used: Ga ₂ Se ₃ , Si _1-X Ge _X , Zn ₄ Sb ₃ , CsBi ₄ Te ₆ , AgPb _m SbTe _{2 + m} , CeFe _4-X Co _X Sb ₁₂ .

Входящие в состав ячейки термоэлектрические ветви 1 и 2 с n- и р-проводимостью состоят из трех участков. Термоэлектрическая ветвь 1 состоит из двух горизонтальных генерирующих участков 3 и 4, обладающих n-проводимостью, в которых происходит генерация носителей заряда n-типа, и соединяющего их электропроводящего участка 5, с помощью которого осуществляется транспортировка носителей заряда с минимальными потерями энергии. Термоэлектрическая ветвь 2 состоит из двух горизонтальных генерирующих участков 6 и 7, обладающих р-проводимостью, в которых осуществляется генерация носителей заряда р-типа, и соединяющей их электропроводящего участка 8, обеспечивающего транспортировку носителей заряда.The thermoelectric branches 1 and 2 with n- and p-conductivity included in the cell consist of three sections. The thermoelectric branch 1 consists of two horizontal generating sections 3 and 4 with n-conductivity, in which n-type charge carriers are generated, and an electrically conductive section 5 connecting them, with which charge carriers are transported with minimal energy loss. The thermoelectric branch 2 consists of two horizontal generating sections 6 and 7, with p-conductivity, in which p-type charge carriers are generated, and an electrically conductive section 8 connecting them, which ensures the transport of charge carriers.

В рассматриваемом примере электропроводящие участки 5 и 8 выполнены из сплава алюминия в виде тонких пленок толщиной ~1 мкм. Толщина электропроводящих участков постоянна вдоль их длины. В других вариантах конструкции термоэлектрического преобразователя могут использоваться электропроводящие участки с изменяемым поперечным сечением (изменяемой толщиной). Расчетный диапазон толщины электропроводящих участков (перемычек) составляет от 0,2 до 5 мкм. В рассматриваемом примере толщина электропроводящих участков 5 и 8 составляет ~1 мкм. Толщина тонкопленочных полупроводниковых генерирующих участков 3, 4, 6 и 7 составляет ~1 мкм, что соответствует расчетному диапазону значений от 500 нм до 5 мкм и оптимальному диапазону - от 500 нм до 1,5 мкм. При выбранных значениях толщины полупроводниковых пленок обеспечивается повышение удельной эффективности преобразования энергии и уменьшение размеров устройства.In this example, the electrically conductive sections 5 and 8 are made of an aluminum alloy in the form of thin films ~ 1 μm thick. The thickness of the electrically conductive sections is constant along their length. In other embodiments of the thermoelectric converter design, electrically conductive sections with a variable cross section (variable thickness) can be used. The estimated thickness range of the electrically conductive sections (jumpers) is from 0.2 to 5 microns. In this example, the thickness of the electrically conductive sections 5 and 8 is ~ 1 μm. The thickness of the thin-film semiconductor generating sections 3, 4, 6, and 7 is ~ 1 μm, which corresponds to the calculated range of values from 500 nm to 5 μm and the optimal range from 500 nm to 1.5 μm. With the selected thicknesses of the semiconductor films, an increase in the specific energy conversion efficiency and a decrease in the size of the device are provided.

В других вариантах конструкции электропроводящие участки могут быть выполнены из полупроводникового материала, идентичного по составу с полупроводниковым материалом, из которого выполнены соединяемые генерирующие участки термоэлектрической ветви. Электропроводящие участки могут быть также выполнены из полупроводникового материала, состав и степень легирования которого отличается от легирования полупроводникового материала, используемого для генерирующих участков термоэлектрической ветви. При уменьшении толщины тонкопленочного электропроводящего участка до ~0,05 мкм происходит переход от объемного типа проводимости к двумерному типу проводимости. В этом случае возникает возможность снижения потерь энергии, связанных с рассеянием электронов на дефектах и неоднородностях полупроводникового материала. Вследствие этого повышается электропроводность проводящего участка при ограниченной теплопроводности.In other design embodiments, the electrically conductive sections may be made of a semiconductor material identical in composition to the semiconductor material from which the connected generating sections of the thermoelectric branch are made. The electrically conductive sections can also be made of a semiconductor material, the composition and degree of doping of which differs from the doping of the semiconductor material used for the generating sections of the thermoelectric branch. With a decrease in the thickness of the thin-film conductive region to ~ 0.05 μm, a transition occurs from the bulk type of conductivity to the two-dimensional type of conductivity. In this case, it becomes possible to reduce energy losses associated with the scattering of electrons by defects and inhomogeneities of the semiconductor material. As a result, the conductivity of the conductive portion increases with limited thermal conductivity.

В рассматриваемом варианте конструкции термоэлектрического преобразователя энергии электропроводящие участки 5 и 8 имеют плоскую форму и постоянную толщину вдоль всей поверхности между соединяемыми генерирующими участками термоэлектрических ветвей. Участки 5 и 8, выполненные в виде плоских перемычек, расположены под острым углом Θ≅60° относительно поверхностей соединяемых генерирующих участков 3 и 4, 6 и 7.In the design variant of the thermoelectric energy converter under consideration, the electrically conductive sections 5 and 8 have a flat shape and a constant thickness along the entire surface between the connected generating sections of the thermoelectric branches. Sections 5 and 8, made in the form of flat jumpers, are located at an acute angle of Θ≅60 ° relative to the surfaces of the connected generating sections 3 and 4, 6 and 7.

В зонах генерации носителей заряда термоэлектрические ветви 1 и 2 с различным типом проводимости соединены между собой внахлест (с взаимным перекрытием контактирующих поверхностей) и образуют контактные р-n переходы между близлежащими генерирующими участками 3 и 6, 4 и 9, 7 и 10 соседних термоэлектрических ветвей. В рассматриваемом примере протяженность каждого контактного р-n перехода соразмерна с длиной соединенных внахлест генерирующих участков 3, 6, 4, 9, 7 и 10 соседних термоэлектрических ветвей. В этом случае выполняется условие, согласно которому протяженность каждого контактного р-n перехода вдоль направления соединения термоэлектрических ветвей должна превышать толщину любого из генерирующих участков.In the zones of charge carrier generation, thermoelectric branches 1 and 2 with different types of conductivity are overlapped (with mutual overlapping of the contacting surfaces) and form contact pn junctions between nearby generating sections 3 and 6, 4 and 9, 7 and 10 of adjacent thermoelectric branches . In this example, the length of each contact pn junction is commensurate with the length of the overlapping generating sections 3, 6, 4, 9, 7, and 10 of the adjacent thermoelectric branches. In this case, the condition is fulfilled, according to which the length of each contact pn junction along the direction of connection of thermoelectric branches should exceed the thickness of any of the generating sections.

Поверхность каждого контактного р-n перехода между контактирующими участками термоэлектрических ветвей 1 и 2 обращена к поверхности соответствующего теплообменного слоя 11 или 12, расположенного в области контактного р-n перехода. В рассматриваемом примере поверхности контактных р-n переходов между контактирующими генерирующими участками 3 и 6, 4 и 9, 7 и 10 ориентированы параллельно поверхностям теплообменных слоев 11 и 12, расположенных в области соответствующих контактных р-n переходов.The surface of each contact pn junction between the contacting sections of the thermoelectric branches 1 and 2 faces the surface of the corresponding heat-exchange layer 11 or 12 located in the region of the contact pn junction. In this example, the surfaces of the contact pn junctions between the contacting generating sections 3 and 6, 4 and 9, 7 and 10 are oriented parallel to the surfaces of the heat exchange layers 11 and 12 located in the region of the corresponding contact pn junctions.

Размеры контактной поверхности р-n перехода, образованного соединенными внахлест генерирующими участками термоэлектрических ветвей с различными типами проводимости, составляют 10 мкм × 10 мкм. За счет используемой пространственной конфигурации термоэлектрических ветвей существенно увеличивается площадь контактного р-n перехода, определяющая величину площади зоны генерации носителей заряда и зоны генерации (выделения/поглощения) тепловых потоков. Следует отметить, что увеличение площади зоны генерации для каждой термоэлектрической ячейки достигается при минимальных размерах термоэлектрического преобразователя энергии.The dimensions of the contact surface of the pn junction formed by overlapping generating sections of thermoelectric branches with different types of conductivity are 10 μm × 10 μm. Due to the spatial configuration of thermoelectric branches used, the area of the contact pn junction increases significantly, which determines the size of the area of the generation of charge carriers and the zone of generation (emission / absorption) of heat fluxes. It should be noted that an increase in the area of the generation zone for each thermoelectric cell is achieved with the minimum dimensions of the thermoelectric energy converter.

Для снижения потенциального барьера контактных р-n переходов между соединяемыми генерирующими участками соседних термоэлектрических ветвей формируется тонкопленочный электропроводящий переходный (буферный) слой, выполненный из алюминия. В других вариантах реализации изобретения для контролируемого изменения потенциального барьера между соединяемыми генерирующими участками с различными типами проводимости может использоваться переменное легирование контактных поверхностных слоев полупроводниковых термоэлектрических ветвей.To reduce the potential barrier of contact pn junctions between the connected generating sections of adjacent thermoelectric branches, a thin-film electrically conductive transition (buffer) layer made of aluminum is formed. In other embodiments of the invention, for a controlled change in the potential barrier between the connected generating sections with different types of conductivity, alternating doping of the contact surface layers of semiconductor thermoelectric branches can be used.

Внешние поверхности преобразователя образованы двумя теплообменными слоями 11 и 12, через которые осуществляется теплообмен с окружающей средой с двух противоположных сторон преобразователя. Теплообменные слои 11 и 12 выполнены в виде алюминиевой фольги, имеющей равномерную толщину вдоль поверхностей теплообмена. Толщина фольги составляет ~2 мкм. С помощью теплообменных слоев, обладающих высокой теплопроводностью, обеспечивается выравнивание температурного поля вдоль поверхностей теплообмена и тепловой контакт с генерирующими участками 3, 7 и 9 термоэлектрических ветвей.The outer surfaces of the transducer are formed by two heat exchange layers 11 and 12, through which heat is exchanged with the environment from two opposite sides of the transducer. The heat transfer layers 11 and 12 are made in the form of aluminum foil having a uniform thickness along the heat transfer surfaces. The thickness of the foil is ~ 2 μm. Using heat exchange layers with high thermal conductivity, the temperature field is aligned along the heat exchange surfaces and thermal contact with the generating sections 3, 7 and 9 of thermoelectric branches.

Между электропроводящими теплообменными слоями 11 и 12 и близлежащими поверхностями генерирующих участков 3, 7 и 9 нанесены диэлектрические пленочные покрытия 13 и 14, имеющие равномерную толщину вдоль поверхности. С помощью пленочных покрытий 13 и 14 обеспечивается электроизоляция полупроводниковых термоэлектрических ветвей от поверхности электропроводящих теплообменных слоев 11 и 12. В качестве материала пленок используется полиимид. Для нанесения диэлектрических покрытий 13 и 14 может также использоваться нитрид бора. В зависимости от используемого изоляционного материала толщина пленок может составлять от 100 нм до 1 мкм. За счет электроизоляции теплообменных слоев 11 и 12 исключается прямой электрический контакт внешней части преобразователя с электрической цепью, образованной проводящими термоэлектрическими ветвями.Between the electrically conductive heat exchange layers 11 and 12 and the adjacent surfaces of the generating sections 3, 7 and 9, dielectric film coatings 13 and 14 are applied having a uniform thickness along the surface. Using film coatings 13 and 14, electrical insulation of semiconductor thermoelectric branches from the surface of the electrically conductive heat exchange layers 11 and 12 is provided. Polyimide is used as the film material. Boron nitride can also be used to apply dielectric coatings 13 and 14. Depending on the insulation material used, the film thickness can range from 100 nm to 1 μm. Due to the electrical insulation of the heat exchange layers 11 and 12, direct electrical contact of the external part of the converter with the electric circuit formed by conducting thermoelectric branches is excluded.

Пространство между теплообменными слоями и термоэлектрическими ветвями заполнено электро- и теплоизолирующим полимерным материалом, в качестве которого применяется полиимид. Ступенчатый профиль полимерного изолятора 15 образует структурную основу для последовательного напыления на ее поверхность пленочных покрытий, используемых в качестве термоэлектрических ветвей, электроизоляционных и теплообменных слоев. Пленочные покрытия наносятся на структурную основу изолятора 15 методами вакуумного дугового осаждения и/или ионно-плазменного напыления. После нанесения пленочных покрытий на ступенчатую поверхность изолятора 15 внутренне пространство между пленочными покрытиями заполняется электро- и теплоизолирующим полимерным материалом идентичного состава. На поверхность образованной термоэлектрической структуры наносятся диэлектрические покрытия 13 и 14 и теплообменные слои 11 и 12.The space between the heat-exchange layers and thermoelectric branches is filled with electric and heat-insulating polymer material, which is used as a polyimide. The stepped profile of the polymer insulator 15 forms the structural basis for the sequential spraying on its surface of film coatings used as thermoelectric branches, electrical insulating and heat transfer layers. Film coatings are applied to the structural base of the insulator 15 by vacuum arc deposition and / or ion-plasma spraying methods. After applying film coatings to the stepped surface of the insulator 15, the inner space between the film coatings is filled with an electric and heat-insulating polymer material of an identical composition. Dielectric coatings 13 and 14 and heat exchange layers 11 and 12 are applied to the surface of the formed thermoelectric structure.

Для снижения теплопроводности термоэлектрической структуры в направлении между теплообменными слоями 11 и 12 в изолирующем материале, заполняющем пространство, ограниченное термоэлектрическими ветвями, выполняются канавки или полости. В рассматриваемом примере полости формируются методом травления. Полости 16, 17 и 18, изображенные на фиг. 2, заполняются инертным газом, например аргоном, или вакуумируются. За счет данного конструктивного выполнения увеличивается термическое сопротивление изолятора 15 и термоэлектрической структуры в целом между теплообменными слоями 11 и 12, через которые осуществляет теплообмен с окружающей средой. Вследствие этого увеличивается разность температур ΔT между противоположными поверхностями термоэлектрического преобразователя энергии, что предопределяет повышение эффективности преобразования энергии.To reduce the thermal conductivity of the thermoelectric structure in the direction between the heat exchange layers 11 and 12 in the insulating material filling the space bounded by thermoelectric branches, grooves or cavities are made. In this example, cavities are formed by etching. The cavities 16, 17 and 18 shown in FIG. 2, are filled with an inert gas, for example argon, or are evacuated. Due to this design, the thermal resistance of the insulator 15 and the thermoelectric structure as a whole between the heat exchange layers 11 and 12, through which it exchanges heat with the environment, increases. As a result of this, the temperature difference ΔT between the opposite surfaces of the thermoelectric energy converter increases, which determines the increase in the energy conversion efficiency.

В других вариантах конструкции для повышения термического сопротивления изолятора 15 и термоэлектрической структуры в целом может использоваться многослойная структура изолятора. Многослойная структура формируется путем последовательного послойного осаждения изолирующего полимерного материала в пространстве, ограниченном термоэлектрическими ветвями, вдоль соединенных внахлест генерирующих участков 3 и 6, 4 и 9, 7 и 10. За счет данной ориентации слоев изолирующего материала увеличивается термическое сопротивлении изолятора 15 и термоэлектрической структуры в целом.In other embodiments, a multilayer insulator structure may be used to increase the thermal resistance of the insulator 15 and the thermoelectric structure as a whole. The multilayer structure is formed by sequential layer-by-layer deposition of an insulating polymeric material in a space limited by thermoelectric branches along the overlapping generating sections 3 and 6, 4 and 9, 7 and 10. Due to this orientation of the layers of insulating material, the thermal resistance of insulator 15 and thermoelectric structure increases whole.

Теплообмен между противоположными поверхностями термоэлектрического преобразователя в основном происходит за счет достаточно высокой теплопроводности электропроводящих участков 5 и 8, соединяющих противоположные части устройства, расположенные у теплообменных слоев 11 и 12. Повышение термического сопротивления электропроводящих участков обеспечивается за счет уменьшения их толщины, определяющей величину площади поперечного сечения перемычек, и их ориентации под острым углом относительно поверхностей соединяемых ими генерирующих участков термоэлектрических ветвей. При данной ориентации плоских электропроводящих перемычек увеличивается их длина. Вследствие этого происходит перераспределение тепловых потоков в структуре изолятора 15 и снижается теплопроводность устройства между теплообменными слоями 11 и 12. Одновременно с увеличением длины электропроводящих участков (перемычек) увеличиваются и электрические потери за счет омического сопротивления. С учетом действия указанных явлений выбирается оптимальная толщина перемычек, при которой обеспечивается максимальная эффективность преобразования энергии. Для рассматриваемого варианта конструкции, выбранного теплового режима и используемого материала оптимальная толщина электропроводящих участков составляет ~1 мкм.The heat exchange between opposite surfaces of the thermoelectric converter mainly occurs due to the sufficiently high thermal conductivity of the electrically conductive sections 5 and 8, connecting the opposite parts of the device located at the heat exchange layers 11 and 12. The increase in thermal resistance of the electrically conductive sections is achieved by reducing their thickness, which determines the size of the cross-sectional area jumpers, and their orientation at an acute angle with respect to the surfaces of the generators connected by them chastkov thermoelectric legs. With this orientation of the flat conductive jumpers, their length increases. As a result of this, heat fluxes are redistributed in the structure of the insulator 15 and the thermal conductivity of the device between the heat exchange layers 11 and 12 decreases. Simultaneously with the increase in the length of the electrically conductive sections (jumpers), the electric losses due to ohmic resistance also increase. Taking into account the effects of these phenomena, the optimal thickness of the jumpers is selected, at which the maximum efficiency of energy conversion is ensured. For the considered design option, the selected thermal regime and the material used, the optimal thickness of the electrically conductive sections is ~ 1 μm.

При наклонном положении плоских электропроводящих перемычек формируется трапецеидальная форма структуры изолятора 15 и трапецеидальная форма продольного сечения соединенных между собой термоэлектрических ветвей. Такая форма структуры изолятора и термоэлектрических ветвей позволяет сократить пространственные размеры термоэлектрического преобразователя за счет увеличения эффективной площади генерирующих участков, расположенных вдоль поверхностей теплообмена.When the flat conductive jumpers are inclined, a trapezoidal shape of the structure of the insulator 15 and a trapezoidal shape of a longitudinal section of interconnected thermoelectric branches are formed. This shape of the structure of the insulator and thermoelectric branches makes it possible to reduce the spatial dimensions of the thermoelectric converter by increasing the effective area of the generating sections located along the heat exchange surfaces.

Высота каждой термоэлектрической ячейки составляет не менее 10 мкм. Термоэлектрические ячейки соединяются между собой через р-n переходы в линейные сборки расчетной длины. Термоэлектрический преобразователь энергии, содержащий линейную сборку термоэлектрических ячеек, расположенных в одной плоскости, изображен на фиг. 3. В линейной сборке каждая термоэлектрическая ячейка последовательно соединена с соседней ячейкой через р-n переход. В собранной электрической цепи термоэлектрические ветви первой и последней ячеек, имеющие различные типы проводимости, соединены с электрическими контактами 19 и 20. Контакты выполняются из металла (сплава металлов) или полупроводникового материала.The height of each thermoelectric cell is at least 10 microns. Thermoelectric cells are interconnected via pn junctions in linear assemblies of the calculated length. A thermoelectric energy converter comprising a linear assembly of thermoelectric cells located in the same plane is shown in FIG. 3. In a linear assembly, each thermoelectric cell is connected in series with a neighboring cell through a pn junction. In the assembled electrical circuit, the thermoelectric branches of the first and last cells having various types of conductivity are connected to electrical contacts 19 and 20. The contacts are made of metal (metal alloy) or semiconductor material.

Термоэлектрический преобразователь энергии может содержать несколько плоских слоев соединенных между собой термоэлектрических ячеек. Отдельные линейные сборки коммутируются между собой последовательным и/или параллельными соединениями в плоские слои, из которых затем формируется многослойная структура с помощью металлических или полупроводниковых контактных шин. Многослойная термоэлектрическая структура, обладающая большим термическим сопротивлением, образует интегральный преобразователь энергии с высокой выходной мощностью. Высота многослойной структуры может составлять ~200 мкм.A thermoelectric energy converter may contain several flat layers of interconnected thermoelectric cells. The individual linear assemblies are interconnected by serial and / or parallel connections into flat layers, from which a multilayer structure is then formed using metal or semiconductor contact buses. A multilayer thermoelectric structure with high thermal resistance forms an integrated energy converter with a high output power. The height of the multilayer structure can be ~ 200 μm.

В зависимости от выбранного режима работы термоэлектрического преобразователя энергии электрические контакты 19 и 20 подключаются либо к потребителю электрической энергии, либо к внешнему источнику электропитания (на чертеже не показаны).Depending on the selected operating mode of the thermoelectric energy converter, the electrical contacts 19 and 20 are connected either to the consumer of electric energy or to an external power source (not shown in the drawing).

Работа термоэлектрического преобразователя энергии, изображенного на фиг. 1-3, осуществляется следующим образом.The operation of the thermoelectric power converter shown in FIG. 1-3, as follows.

Предварительно выбирается режим работы термоэлектрического преобразователя: преобразование тепловой энергии в электрическую энергию (генерация термо-ЭДС при реализации эффекта Зеебека) или преобразование электрической энергии в направленный поток тепловой энергии (выделение или поглощение тепловой энергии при реализации эффекта Пельтье).The operation mode of the thermoelectric converter is preliminarily selected: the conversion of thermal energy into electrical energy (generation of thermo-EMF when implementing the Seebeck effect) or the conversion of electrical energy into a directed flow of thermal energy (the generation or absorption of thermal energy when the Peltier effect is realized).

При работе в режиме генерации термо-ЭДС электрические контакты 19 и 20, соединенные с термоэлектрическими ветвями соединенных между собой термоэлектрических ячеек, подключаются к потребителю электрической энергии (на чертежах не показан). Термоэлектрический преобразователь энергии устанавливается таким образом, чтобы противоположные поверхности его теплообменных слоев 11 и 12 контактировали с областями окружающей среды, имеющими различную температуру. Преобразователь, имеющий плоскую форму, может использоваться в качестве теплоизолятора и размещаться между холодными и горячими средами, находящимися в разных фазовых состояниях. Теплообмен между теплообменными слоями 11 и 12 и областями окружающей среды, имеющими различную температуру, может осуществляться за счет одного или нескольких механизмов теплопередачи: конвекции, теплопроводности и излучения.When operating in the thermoelectric power generation mode, the electrical contacts 19 and 20 connected to the thermoelectric branches of interconnected thermoelectric cells are connected to a consumer of electrical energy (not shown in the drawings). The thermoelectric energy converter is installed so that the opposite surfaces of its heat exchange layers 11 and 12 are in contact with areas of the environment having different temperatures. A converter having a flat shape can be used as a heat insulator and placed between cold and hot environments in different phase states. Heat transfer between the heat exchange layers 11 and 12 and the environmental regions having different temperatures can be achieved by one or more heat transfer mechanisms: convection, heat conduction and radiation.

В результате теплового контакта с относительно холодной областью окружающей среды происходит охлаждение теплообменного слоя 12 до температуры Т₁. Одновременно осуществляется нагрев теплообменного слоя 11, расположенного со стороны области окружающей среды, имеющей относительно высокую температуру. Теплообменный слой 11 нагревается до температуры Т₂ (T₂>T₁). Между теплообменными слоями создается разность температур ΔТ=Т₂-Т₁. С помощью теплообменных слоев 11 и 12, выполненных из алюминиевой фольги, осуществляется выравнивание температурных полей по контактным поверхностям, расположенным с противоположных сторон термоэлектрического преобразователя, и создается устойчивый тепловой контакт с генерирующими участками 3, 7 и 9 термоэлектрических ветвей 1 и 2.As a result of thermal contact with a relatively cold region of the environment, the heat exchange layer 12 is cooled to a temperature T ₁ . At the same time, heating of the heat exchange layer 11, located on the side of the environmental region having a relatively high temperature, is carried out. The heat exchange layer 11 is heated to a temperature of T ₂ (T ₂ > T ₁ ). Between the heat exchange layers creates a temperature difference ΔT = T ₂ -T ₁ . Using heat transfer layers 11 and 12 made of aluminum foil, the temperature fields are aligned with contact surfaces located on opposite sides of the thermoelectric converter, and a stable thermal contact is created with the generating sections 3, 7 and 9 of thermoelectric branches 1 and 2.

За счет пространственного разделения с помощью изолятора 15 генерирующих участков 3 и 6, 4 и 9, 7 и 10, образующих контактные р-n переходы, обеспечивается высокое термическое сопротивление преобразователя между холодной и горячей областями окружающей среды. Высокое термическое сопротивление структуры обеспечивается при использовании полостей 16, 17 и 18, образованных в изоляторе 15 (см. фиг. 2). Для увеличения термического сопротивления изолятора 15 полости 16, 17 и 18 заполняются инертным газом или вакуумируются.Due to the spatial separation by means of an insulator 15 of the generating sections 3 and 6, 4 and 9, 7 and 10, forming contact pn junctions, a high thermal resistance of the converter between cold and hot areas of the environment is ensured. High thermal resistance of the structure is provided when using the cavities 16, 17 and 18 formed in the insulator 15 (see Fig. 2). To increase the thermal resistance of the insulator 15, the cavities 16, 17 and 18 are filled with an inert gas or evacuated.

Снижение теплопроводности структуры обеспечивается также за счет оптимального выбора материала, профиля и толщины электропроводящих участков 5 и 8, соединяющих генерирующие участки термоэлектрических ветвей. Требуемое термическое сопротивление структуры достигается также за счет оптимального выбора толщины и угла Θ наклона плоских перемычек относительно поверхностей соединяемых генерирующих участков термоэлектрических ветвей. Оптимизация геометрических параметров проводится с учетом требований по теплопроводности структуры (между теплообменными слоями) и омическому сопротивлению электропроводящих участков и термоэлектрических ветвей в целом. В рассматриваемом варианте осуществления изобретения расчетное значение угла Θ составляет ~60°.Reducing the thermal conductivity of the structure is also due to the optimal choice of material, profile and thickness of the electrically conductive sections 5 and 8 connecting the generating sections of thermoelectric branches. The required thermal resistance of the structure is also achieved due to the optimal choice of thickness and angle Θ of inclination of the flat jumpers relative to the surfaces of the connected generating sections of thermoelectric branches. The optimization of geometric parameters is carried out taking into account the requirements for the thermal conductivity of the structure (between the heat exchange layers) and the ohmic resistance of the electrically conductive sections and thermoelectric branches as a whole. In this embodiment, the calculated value of the angle ~ is ~ 60 °.

После установления разности температур ΔT между теплообменными слоями 11 и 12, с которыми контактируют генерирующие участки 3, 7 и 9, в замкнутой электрической цепи, состоящей из соединенных внахлест термоэлектрических ветвей, возникает термо-ЭДС. Данное явление основано на эффекте Зеебека. В процессе работы термоэлектрического преобразователя осуществляется теплопередача между областью окружающей среды с относительно высокой температурой и теплообменным слоем 11, с одной стороны, и между областью окружающей среды с относительно низкой температурой и теплообменным слоем 12, с другой стороны.After the temperature difference ΔT is established between the heat exchange layers 11 and 12, with which the generating sections 3, 7 and 9 are in contact, a thermo-emf arises in a closed electrical circuit consisting of overlapped thermoelectric branches. This phenomenon is based on the Seebeck effect. During operation of the thermoelectric converter, heat transfer is effected between the relatively high temperature environment region and the heat exchange layer 11, on the one hand, and the relatively low temperature environment region, and the heat exchange layer 12, on the other hand.

За счет того, что генерирующие участки термоэлектрических ветвей в области контактных р-n переходов соединены внахлест, контактирующие поверхности соединяемых участков перекрывают друг друга в направлении распространения тепловых потоков со стороны окружающей среды. Энергия теплового потока равномерно распределяется по двум контактирующим друг с другом слоям полупроводниковых материалов, обладающих высокой теплопроводностью. В результате повышается эффективность использования тепловой и электрической энергии в термоэлектрических процессах преобразования энергии при сокращении габаритных размеров преобразователя энергии.Due to the fact that the generating sections of thermoelectric branches in the region of contact pn junctions are overlapped, the contacting surfaces of the connected sections overlap each other in the direction of propagation of heat fluxes from the environment. The heat flux energy is evenly distributed over two layers of semiconductor materials in contact with each other, which have high thermal conductivity. As a result, the efficiency of using thermal and electric energy in thermoelectric processes of energy conversion is improved while reducing the overall dimensions of the energy converter.

Заданная ориентация поверхностей контактных р-n переходов относительно направления действия тепловых потоков обеспечивается за счет того, что перекрывающиеся поверхности контактирующих участков термоэлектрических ветвей обращены к поверхностям соответствующих теплообменных слоев, при этом сами контактирующие участки образуют двухслойную тонкопленочную структуру с минимальной толщиной полупроводниковых пленок. Вследствие этого увеличивается площадь поверхности контактных р-n переходов, расположенных вдоль поверхностей теплообмена с окружающей средой.The specified orientation of the surfaces of the contact pn junctions relative to the direction of action of the heat fluxes is ensured due to the overlapping surfaces of the contacting sections of thermoelectric branches facing the surfaces of the corresponding heat transfer layers, while the contacting sections themselves form a two-layer thin-film structure with a minimum thickness of semiconductor films. As a result of this, the surface area of the contact pn junctions located along the heat exchange surfaces with the environment increases.

В рассматриваемом примере реализации изобретения поверхность каждого контактного р-n перехода между контактирующими участками термоэлектрических ветвей имеет плоскую форму и ориентирована параллельно поверхности теплообменного слоя 11 или 12, расположенного в области контактного р-n перехода. Возможны и другие формы выполнения контактирующих поверхностей участков термоэлектрических ветвей, что связано с технологическими возможностями используемых методов нанесения (осаждения) полупроводниковых пленок. Так, например, контактирующие участки термоэлектрических ветвей в области р-n переходов могут иметь сложную форму, включающую плоские и криволинейные краевые элементы. Поверхность контактного р-n перехода может быть ориентирована под острым углом относительно поверхностей теплообменных слоев 11 и 12.In this example implementation of the invention, the surface of each contact pn junction between the contacting sections of thermoelectric branches has a flat shape and is oriented parallel to the surface of the heat exchange layer 11 or 12 located in the region of the contact pn junction. Other forms of execution of the contacting surfaces of sections of thermoelectric branches are possible, which is associated with the technological capabilities of the applied methods of deposition (deposition) of semiconductor films. So, for example, the contacting sections of thermoelectric branches in the region of pn junctions can have a complex shape, including flat and curved edge elements. The surface of the contact pn junction can be oriented at an acute angle relative to the surfaces of the heat transfer layers 11 and 12.

Для увеличения площади поверхности контактных р-n переходов при соединении генерирующих участков термоэлектрических ветвей внахлест протяженность каждого контактного р-n перехода вдоль поверхности соединения термоэлектрических ветвей должна превышать толщину любого из генерирующих участков. В рассматриваемом варианте конструкции устройства размеры контактной поверхности каждого р-n перехода, образованного соединенными внахлест генерирующими участками, составляют 10 мкм × 10 мкм. Данные размеры зоны эффективной генерации носителей заряда существенного превосходят аналогичные размеры при соединении пленочных термоэлектрических ветвей встык.To increase the surface area of the contact pn junctions when connecting the generating sections of thermoelectric branches with an overlap, the length of each contact pn junction along the surface of the connection of thermoelectric branches should exceed the thickness of any of the generating sections. In the considered design variant of the device, the dimensions of the contact surface of each pn junction formed by overlapping generating sections are 10 μm × 10 μm. These dimensions of the zone of effective generation of charge carriers significantly exceed the similar dimensions when connecting the film thermoelectric branches butt.

Направление распространения тепловых потоков определяется взаимной ориентацией теплообменных слоев и поверхности контактного р-n перехода. Поскольку поверхность контактного р-n перехода между контактирующими участками термоэлектрических ветвей обращена к поверхности теплообменного слоя, тепловые потоки ориентированы большей частью ортогонально контактным поверхностям термоэлектрических ветвей. Толщина контактирующих полупроводниковых пленок в пределах заданного диапазона значений (от 50 нм до 5 мкм) является минимально возможной при решении технической задачи, связанной со снижением тепловых потерь и повышением теплопроводности между пленочными слоями контактных р-n переходов. В данном диапазоне толщин полупроводниковых пленок обеспечивается эффективная генерация носителей заряда в области контактного р-n перехода. При максимальных значениях концентраций носителей заряда обеспечивается максимальные значения коэффициента термо-ЭДС. Ограничения толщин полупроводниковых пленок связаны с тем, что, с одной стороны, при использовании полупроводниковых термоэлектрических ветвей с толщинами, превосходящими максимальную границу диапазона (5 мкм), увеличивается масса и габариты термоэлектрического преобразователя. С другой стороны, при использовании пленок, толщина которых меньше нижнего предела (50 нм), существенно снижается эффективность преобразования энергии из-за уменьшения концентрации носителей заряда.The direction of propagation of heat fluxes is determined by the mutual orientation of the heat exchange layers and the surface of the contact pn junction. Since the surface of the contact pn junction between the contacting sections of the thermoelectric branches faces the surface of the heat exchange layer, the heat fluxes are oriented mostly orthogonally to the contact surfaces of the thermoelectric branches. The thickness of the contacting semiconductor films within a given range of values (from 50 nm to 5 μm) is the minimum possible when solving the technical problem associated with reducing heat loss and increasing thermal conductivity between the film layers of contact pn junctions. In this thickness range of semiconductor films, efficient generation of charge carriers in the region of the contact pn junction is ensured. At maximum concentrations of charge carriers, the maximum values of the coefficient of thermo-EMF are provided. Limitations of the thickness of semiconductor films are related to the fact that, on the one hand, when using semiconductor thermoelectric branches with thicknesses exceeding the maximum range limit (5 μm), the mass and dimensions of the thermoelectric converter increase. On the other hand, when using films whose thickness is less than the lower limit (50 nm), the efficiency of energy conversion is significantly reduced due to a decrease in the concentration of charge carriers.

Оптимизация размеров устройства обеспечивается также за счет выбора угла наклона Θ электропроводящих участков 5 и 8, выполненных в виде плоских перемычек. При уменьшении угла Θ (Θ<90°) увеличивается площадь эффективной поверхности термоэлектрической структуры, контактирующей с теплообменными слоями. Данная поверхность образована генерирующими участками термоэлектрических ветвей, которые образуют контактные р-n переходы. В этом случае необходимо учитывать возрастание омического сопротивления термоэлектрических ветвей при увеличении их длины за счет уменьшения угла Θ (Θ<90°).The optimization of the dimensions of the device is also ensured by choosing the angle of inclination Θ of the electrically conductive sections 5 and 8, made in the form of flat jumpers. With a decrease in the angle Θ (Θ <90 °), the effective surface area of the thermoelectric structure in contact with the heat exchange layers increases. This surface is formed by the generating sections of thermoelectric branches, which form contact pn junctions. In this case, it is necessary to take into account the increase in the ohmic resistance of thermoelectric branches with an increase in their length due to a decrease in the angle Θ (Θ <90 °).

Увеличение площади контактных р-n переходов, в свою очередь, влияет на увеличение зоны эффективной генерации носителей заряда и, соответственно, на увеличение количества носителей заряда в электрической цепи, образованной соединенными между собой термоэлектрическими ветвями. В результате более интенсивной генерации носителей заряда увеличивается коэффициент термо-ЭДС и повышается удельная эффективность преобразования тепловой энергии в электрическую энергию. Следует отметить, что повышение эффективности преобразования энергии достигается при неизменных либо меньших размерах термоэлектрического преобразователя. При данной пространственной конфигурации термоэлектрических ветвей достигается максимально возможный градиент концентрации носителей заряда, индуцированный перепадом температур ΔT между холодной и горячей поверхностями контактных р-n переходов.An increase in the area of contact pn junctions, in turn, affects the increase in the effective generation zone of charge carriers and, accordingly, the increase in the number of charge carriers in the electric circuit formed by interconnected thermoelectric branches. As a result of more intensive generation of charge carriers, the coefficient of thermo-EMF increases and the specific efficiency of the conversion of thermal energy into electrical energy increases. It should be noted that increasing the efficiency of energy conversion is achieved with constant or smaller dimensions of the thermoelectric converter. With this spatial configuration of thermoelectric branches, the maximum possible concentration gradient of charge carriers is achieved, induced by the temperature difference ΔT between the cold and hot surfaces of the contact pn junctions.

В процессе перехода носителей заряда между генерирующими участками через область контактного р-n перехода возникает потенциальный барьер, обусловленный различием физико-химических свойств контактирующих полупроводниковых материалов. Снижение возникающего потенциального барьера обеспечивается за счет использования электропроводящего переходного слоя, выполненного из алюминия. Переходный тонкопленочный слой металла (или сплава металла) предварительно формируется между парами контактирующих генерирующих участков 3 и 6, 4 и 9, 7 и 10. Контролируемое изменение потенциального барьера в области контактных р-n переходов может обеспечиваться также при использовании переменного легирования контактных поверхностных слоев соединяемых внахлест генерирующих участков.In the process of transition of charge carriers between the generating regions through the region of the contact pn junction, a potential barrier arises due to the difference in the physicochemical properties of the contacting semiconductor materials. Reducing the potential barrier arising through the use of an electrically conductive transition layer made of aluminum. A thin film transition layer of metal (or a metal alloy) is pre-formed between pairs of contacting generating sections 3 and 6, 4 and 9, 7 and 10. A controlled change in the potential barrier in the region of contact pn junctions can also be achieved by using alternating doping of the contact surface layers to be joined overlapping generating areas.

Носители зарядов, образующиеся в полупроводниковых материалах генерирующих участков 3 и 6, транспортируются через тонкопленочные электропроводящие участки (перемычки) 5 и 8 в следующие генерирующие участки 4 и 7. При этом все генерирующие участки скоммутированы в общую электрическую цепь преобразователя энергии. Электроизоляция между электропроводящими теплообменными слоями 11 и 12 и прилегающими к ним электропроводящими генерирующими участками обеспечивается с помощью диэлектрических пленочных покрытий 13 и 14. При реализации режима генерации термо-ЭДС в электрической цепи, образованной последовательно соединенными термоэлектрическими ветвями, между электрическими контактами 19 и 20 (см. фиг. 3) возникает разность потенциалов, и в электрической цепи, подключенной к потребителю электрической энергии, протекает ток.The charge carriers formed in the semiconductor materials of the generating sections 3 and 6 are transported through thin-film electrically conductive sections (jumpers) 5 and 8 to the following generating sections 4 and 7. In this case, all the generating sections are switched into a common electric circuit of the energy converter. Electrical insulation between the electrically conductive heat-exchange layers 11 and 12 and the adjacent electrically conductive generating sections is provided by means of dielectric film coatings 13 and 14. When implementing the regime of generating thermo-EMF in an electric circuit formed by series-connected thermoelectric branches between electrical contacts 19 and 20 (see Fig. 3) there is a potential difference, and a current flows in the electric circuit connected to the consumer of electric energy.

При изменении направления (инверсии) тепловых потоков с противоположных сторон преобразователя процесс генерации термо-ЭДС осуществляется аналогичным образом. Различие заключается в изменении взаимного расположения горячей и холодной теплообменных поверхностей и контактирующих с ними генерирующих участков. Вследствие расположения теплообменного слоя 12 со стороны области окружающей среды, имеющей относительно высокую температуру, происходит нагрев слоя до температуры Т₂. В этом случае теплообменный слой 11, расположенный со стороны относительно холодной области окружающей среды, охлаждается до температуры T₁ (T₁<T₂). Между теплообменными слоями 11 и 12 создается разность температур ΔT=T₂-T₁, при этом вектор градиента температур имеет противоположное направление по сравнению с первоначальным направлением относительно теплообменных слоев преобразователя.When the direction (inversion) of heat flows from opposite sides of the transducer changes, the process of thermo-EMF generation is carried out in a similar way. The difference lies in changing the relative positions of the hot and cold heat exchange surfaces and the generating sections in contact with them. Due to the location of the heat exchange layer 12 from the side of the environmental region having a relatively high temperature, the layer is heated to a temperature T ₂ . In this case, the heat exchange layer 11, located on the side of the relatively cold region of the environment, is cooled to a temperature T ₁ (T ₁ <T ₂ ). Between the heat exchange layers 11 and 12, a temperature difference ΔT = T ₂ -T _{1 is created} , while the temperature gradient vector has the opposite direction compared to the original direction relative to the heat transfer layers of the converter.

При подключении электрических контактов 19 и 20 к потребителю электрической энергии в замкнутой электрической цепи, состоящей из разнородных полупроводниковых материалов, вследствие поддержания противоположно расположенных контактных р-n переходов (точек контакта разнородных материалов) при различных температурах возникает термо-ЭДС. В условиях инверсии тепловых потоков направление тока в замкнутой электрической цепи, подключенной к потребителю энергии, будет противоположным по сравнению с направлением тока в цепи при первоначальном направлении тепловых потоков.When electrical contacts 19 and 20 are connected to a consumer of electrical energy in a closed electrical circuit consisting of dissimilar semiconductor materials, due to the maintenance of oppositely located contact pn junctions (contact points of dissimilar materials) at different temperatures, thermo-emf occurs. Under conditions of inversion of heat fluxes, the direction of the current in a closed electrical circuit connected to the energy consumer will be opposite in comparison with the direction of current in the circuit with the initial direction of heat fluxes.

В случае работы термоэлектрического преобразователя энергии в режиме генерации тепловых потоков (в режиме выделения/поглощения тепла) электрические контакты 19 и 20, соединенные с термоэлектрическими ветвями термоэлектрических ячеек, подключаются к источнику электропитания (внешнему источнику ЭДС). В данном режиме работы, в зависимости от направления тока в замкнутой электрической цепи, образованной соединенными между собой термоэлектрическими ветвями, происходит нагрев одного теплообменного слоя и охлаждение противоположного теплообменного слоя.In the case of operation of the thermoelectric energy converter in the heat flow generation mode (in the mode of heat generation / absorption), the electrical contacts 19 and 20 connected to the thermoelectric branches of thermoelectric cells are connected to a power source (external emf source). In this operating mode, depending on the direction of the current in a closed electrical circuit formed by interconnected thermoelectric branches, one heat-transfer layer is heated and the opposite heat-exchange layer is cooled.

Режим генерации тепловых потоков основан на эффекте Пельтье, согласно которому в результате протекания электрического тока через контактную поверхность двух разнородных материалов, в частности через контактный р-n переход двух ветвей полупроводниковых материалов, обладающих различными типами проводимости, происходит выделение или поглощение тепла в области контактной поверхности. Данный эффект связан с возникновением внутренних контактных электрических полей в области контактных р-n переходов, направление которых может совпадать либо быть противоположным по отношению к направлению протекающего через р-n переход электрического тока. В термоэлектрическом преобразователе энергии, изображенном на фиг. 1, 2 и 3, выделение и поглощение тепловой энергии происходит в контактных слоях генерирующих участков 3 и 6, 4 и 9, 7 и 10, образующих контактные р-n переходы, в зависимости от взаимного направления электрического тока и контактного электрического поля. Транспортировка носителей заряда в электрической цепи между генерирующими участками осуществляется через тонкопленочные электропроводящие участки 5 и 8.The heat flow generation mode is based on the Peltier effect, according to which, as a result of the flow of electric current through the contact surface of two dissimilar materials, in particular through the contact pn junction of two branches of semiconductor materials with different types of conductivity, heat is generated or absorbed in the contact surface area . This effect is associated with the appearance of internal contact electric fields in the region of contact pn junctions, the direction of which may coincide or be opposite to the direction of the electric current flowing through the pn junction. In the thermoelectric power converter shown in FIG. 1, 2 and 3, the release and absorption of thermal energy occurs in the contact layers of the generating sections 3 and 6, 4 and 9, 7 and 10, forming contact pn junctions, depending on the mutual direction of the electric current and contact electric field. The transport of charge carriers in the electric circuit between the generating sections is carried out through thin-film electrically conductive sections 5 and 8.

При выбранном направлении тока в замкнутой электрической цепи происходит нагрев контактных р-n переходов, расположенных со стороны теплообменного слоя 11, до температуры Т₃. Одновременно происходит охлаждение до температуры Т₄ (Т₄<Т₃) контактных р-n переходов, расположенных со стороны теплообменного слоя 12. В результате действия эффекта Пельтье между противоположно расположенными горячими и холодными контактными р-n переходами устанавливается разность температур ΔТ=Т₃-Т₄.With the selected direction of the current in a closed electrical circuit, the contact pn junctions located on the side of the heat exchange layer 11 are heated to a temperature of T ₃ . At the same time, the pn junctions located on the side of the heat-exchange layer 12 are cooled to a temperature T ₄ (T ₄ <T ₃ ). As a result of the Peltier effect, the temperature difference ΔT = T _{3 is} established between the oppositely located hot and cold pn junctions. -T ₄ .

Теплоизоляция между горячими и холодными контактными р-n переходами обеспечивается за счет заполнения пространства между теплообменными слоями и термоэлектрическими ветвями электро- и теплоизолирующим полимерным материалом, образующим структуру изолятора 15. Высокое термическое сопротивление изолятора 15 обеспечивается за счет выполнения в нем полостей 16, 17 и 18, заполненных инертным газом, в качестве которого, в частности, используется аргон. Для снижения теплопроводности структуры полости 16, 17 и 18 могут быть вакуумированы. Снижение теплопроводности электропроводящих участков 5 и 8, соединяющих генерирующие участки термоэлектрических ветвей, обеспечивается путем выбора их минимальной толщины, при которой обеспечивается требуемая величина электропроводности, что необходимо для транспортировки зарядов между генерирующими участками. Выбор оптимальной толщины электропроводящих участков обусловлен необходимостью одновременного снижения электрических и тепловых потерь в преобразователе энергии.Thermal insulation between hot and cold contact pn junctions is ensured by filling the space between the heat exchange layers and thermoelectric branches with electric and thermally insulating polymer material that forms the structure of the insulator 15. High thermal resistance of the insulator 15 is ensured by the implementation of cavities 16, 17 and 18 filled with an inert gas, for which, in particular, argon is used. To reduce thermal conductivity, the structures of the cavity 16, 17 and 18 can be evacuated. Reducing the thermal conductivity of the electrically conductive sections 5 and 8 connecting the generating sections of the thermoelectric branches is ensured by selecting their minimum thickness at which the required value of electrical conductivity is provided, which is necessary for transporting charges between the generating sections. The choice of the optimal thickness of the electrically conductive sections is due to the need to simultaneously reduce electrical and heat losses in the energy converter.

Вследствие того, что генерирующие участки в области р-n переходов соединены между собой внахлест (с взаимным перекрытием контактирующих поверхностей) и поверхность каждого контактного р-n перехода между генерирующими участками обращена к поверхности теплообменного слоя, увеличивается площадь поверхности контактных р-n переходов, расположенных вдоль теплообменных поверхностей преобразователя энергии. При соединении генерирующих участков внахлест протяженность каждого контактного р-n перехода вдоль направления соединения термоэлектрических ветвей превышает толщину любого из генерирующих участков. Выполнение указанных выше условий способствует увеличению размеров контактной поверхности каждого р-n перехода (до 10 мкм × 10 мкм), через которую происходит выделение или поглощение тепла. В результате увеличения площади эффективных теплообменных поверхностей интенсифицируется теплообмен в окружающей средой, и, как следствие, повышается эффективность термоэлектрического преобразования энергии. Равномерное распределение тепловых потоков вдоль внешних поверхностей преобразователя энергии обеспечивается с помощью теплообменных слоев 11 и 12, обладающих высокой теплопроводностью.Due to the fact that the generating sections in the region of pn junctions are overlapped (with mutual overlapping of the contacting surfaces) and the surface of each contact pn junction between the generating sections faces the surface of the heat exchange layer, the surface area of the contact pn junctions located along the heat exchange surfaces of the energy converter. When connecting the generating sections with an overlap, the length of each contact pn junction along the direction of connection of the thermoelectric branches exceeds the thickness of any of the generating sections. Fulfillment of the above conditions contributes to an increase in the size of the contact surface of each pn junction (up to 10 μm × 10 μm) through which heat is generated or absorbed. As a result of the increase in the area of effective heat-exchange surfaces, heat transfer in the environment is intensified, and, as a result, the efficiency of thermoelectric energy conversion is increased. The uniform distribution of heat fluxes along the outer surfaces of the energy converter is ensured by means of heat exchange layers 11 and 12 having high thermal conductivity.

Соединение генерирующих участков внахлест позволяет сократить размеры термоэлектрической ячейки за счет взаимного перекрытия генерирующих участков в области контактных р-n переходов. Кроме того, генерирующие участки должны быть обращены к поверхности теплообменного слоя в области контактных р-n переходов. В этом случае обеспечивается выделение или поглощение тепловых потоков через контактную поверхность р-n переходов с минимальными тепловыми потерями. При данной пространственной конфигурации термоэлектрических ветвей тепловые потоки в каждой ячейке проходят через два слоя полупроводниковых материалов, обладающих высокой теплопроводностью. Теплообмен устройства с окружающей средой происходит через теплообменные слои 11 и 12, образующие тепловые контакты с генерирующими участками.The overlapping connection of the generating sections allows one to reduce the size of the thermoelectric cell due to the mutual overlapping of the generating sections in the region of contact pn junctions. In addition, the generating sections should be facing the surface of the heat exchange layer in the region of contact pn junctions. In this case, the release or absorption of heat flows through the contact surface of pn junctions with minimal heat loss is provided. With this spatial configuration of thermoelectric branches, heat fluxes in each cell pass through two layers of semiconductor materials with high thermal conductivity. Heat exchange of the device with the environment occurs through heat exchange layers 11 and 12, forming thermal contacts with the generating sections.

Размеры термоэлектрического преобразователя, работающего в режиме генерации тепловых потоков, могут быть сокращены за счет выбора оптимального значения угла наклона Θ электропроводящих участков 5 и 8, выполнены в виде плоских перемычек. За счет увеличения площади контактных р-n переходов (при Θ≅60°) увеличивается зона эффективной генерации тепловых потоков, и достигается максимально возможный перепад температур ΔT между холодной и горячей поверхностями контактных р-n переходов, расположенных с противоположных сторон термоэлектрической структуры.The dimensions of the thermoelectric converter operating in the mode of heat flow generation can be reduced by choosing the optimal value of the angle of inclination Θ of the electrically conductive sections 5 and 8, made in the form of flat jumpers. By increasing the area of contact pn junctions (at Θ≅60 °), the zone of effective generation of heat fluxes increases and the maximum possible temperature difference ΔT between the cold and hot surfaces of contact pn junctions located on opposite sides of the thermoelectric structure is achieved.

Для снижения электрических потерь в замкнутой электрической цепи, включающей соединенные между собой генерирующие участки термоэлектрических ветвей, в контактных р-n переходах используются электропроводящие переходные (буферные) тонкопленочные слои, выполненные из алюминия. С помощью переходных слоев снижается величина потенциального барьера между контактирующими полупроводниковыми материалами. Аналогичный эффект может быть достигнут при использовании переменного легирования контактных поверхностных слоев генерирующих участков. С помощью диэлектрических пленочных покрытий 13 и 14 исключается прямой электрический контакт между теплообменными слоями 11 и 12 и прилегающими к ним электропроводящими генерирующими участками термоэлектрических ветвей.To reduce electrical losses in a closed electric circuit, including interconnected generating sections of thermoelectric branches, conductive transition (buffer) thin-film layers made of aluminum are used in contact pn junctions. Using transition layers, the potential barrier between the contacting semiconductor materials is reduced. A similar effect can be achieved by using variable doping of the contact surface layers of the generating sections. By means of dielectric film coatings 13 and 14, direct electrical contact between the heat exchange layers 11 and 12 and the adjacent electrically conductive generating sections of thermoelectric branches is eliminated.

При изменении направления тока в замкнутой электрической цепи путем изменения полярности подключения электрических контактов 19 и 20 к выходным клемма внешнего источника электропитания в термоэлектрическом преобразователе происходит инверсия генерируемых тепловых потоков. В этом случае осуществляется нагрев контактных р-n переходов, расположенных со стороны теплообменного слоя 12, до температуры Т₃. Одновременно осуществляется охлаждение контактных р-n переходов, расположенных со стороны теплообменного слоя 11, до температуры Т₄ (Т₄<Т₃). В результате действия эффекта Пельтье между противоположно расположенными горячими и холодными контактными р-n переходами устанавливается разность температур ΔТ=Т₃-Т₄. При этом через теплообменный слой 12 происходит выделение тепла в окружающую среду, а через теплообменный слой 11 - поглощение тепла из окружающей среды.When changing the direction of the current in a closed electric circuit by changing the polarity of the electrical contacts 19 and 20 to the output terminal of an external power source in the thermoelectric converter, the generated heat fluxes are inverted. In this case, the contact pn junctions located on the side of the heat exchange layer 12 are heated to a temperature of T ₃ . At the same time, the cooling pn junctions located on the side of the heat exchange layer 11 are cooled to a temperature of T ₄ (T ₄ <T ₃ ). As a result of the Peltier effect between the oppositely located hot and cold contact pn junctions, a temperature difference ΔT = T ₃ -T _{4 is established} . In this case, heat is released through the heat exchange layer 12 to the environment, and heat is absorbed from the environment through the heat exchange layer 11.

Из представленных примеров осуществления изобретения следует, что при соединении внахлест генерирующих участков термоэлектрических ветвей в области контактных р-n переходов повышается удельная эффективность преобразования энергии. Данный результат достигается при работе термоэлектрического преобразователя энергии в режиме преобразования тепловой энергии в электрическую (в случае реализации эффекта Зеебека) и в режиме преобразования электрической энергии в тепловую (в случае реализации эффекта Пельтье). Для достижения указанного технического результата необходимо также, чтобы протяженность каждого контактного р-n перехода вдоль направления соединения термоэлектрических ветвей превышала толщину любого из генерирующих участков, при этом поверхность контактного р-n перехода между генерирующими участками должна быть обращена к поверхности теплообменного слоя в области контактного р-n перехода. Толщину каждого генерирующего участка необходимо выбирать в диапазоне значений от 50 нм до 5 мкм.From the presented examples of the invention, it follows that when lap-bonding the generating sections of thermoelectric branches in the region of contact pn junctions, the specific energy conversion efficiency increases. This result is achieved by operating a thermoelectric energy converter in the mode of converting thermal energy into electrical energy (in the case of the Seebeck effect) and in the mode of converting electric energy into thermal energy (in the case of the Peltier effect). To achieve the specified technical result, it is also necessary that the length of each contact pn junction along the direction of connection of thermoelectric branches exceeds the thickness of any of the generating sections, while the surface of the contact pn junction between the generating sections should face the surface of the heat exchange layer in the region of the contact p -n transition. The thickness of each generating section must be selected in the range of values from 50 nm to 5 μm.

Вышеописанные примеры осуществления термоэлектрического преобразователя энергии основываются на выборе конкретных полупроводниковых материалов, электро- и теплоизолирующих материалов, выборе размеров пленочных покрытий и использовании определенной пространственной конфигурации термоэлектрических ветвей. В то же время представленное описание примеров осуществления изобретения не исключает возможности достижения технического результата и в других частных случаях реализации термоэлектрического преобразователя энергии в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте формулы изобретения. Так, в частности, в зависимости от конкретных технических требований к термоэлектрическому преобразователю энергии и условий его эксплуатации могут использоваться иные по сравнению с описанными выше полупроводниковые материалы, включая химический состав материалов и степень их легирования, а также другие электро- и теплоизолирующие материалы. В соответствии с электрофизическими и теплофизическими требованиями выбираются размеры термоэлектрических ячеек, количество ячеек и последовательность их коммутации, определяется необходимость использования в структуре изолятора теплоизолирующих канавок и полостей, необходимость и степень легирования поверхностных слоев контактирующих участков термоэлектрических ветвей и необходимость использования переходных (буферных) слоев между контактирующими поверхностями участков.The above-described embodiments of a thermoelectric energy converter are based on the selection of specific semiconductor materials, electrical and heat insulating materials, the choice of film coating sizes and the use of a specific spatial configuration of thermoelectric branches. At the same time, the presented description of embodiments of the invention does not exclude the possibility of achieving a technical result in other particular cases of the implementation of a thermoelectric energy converter in the form described in the independent claim. So, in particular, depending on the specific technical requirements for the thermoelectric energy converter and its operating conditions, semiconductor materials other than those described above may be used, including the chemical composition of the materials and the degree of their alloying, as well as other electrical and heat insulating materials. In accordance with the electrophysical and thermophysical requirements, the sizes of thermoelectric cells, the number of cells and their switching sequence are selected, the need to use heat-insulating grooves and cavities in the structure of the insulator is determined, the need and degree of doping of the surface layers of the contacting sections of thermoelectric branches and the need to use transitional (buffer) layers between the contacting surface areas.

С учетом требований по электропроводности и теплопроводности термоэлектрической структуры определяется толщина и форма выполнения электропроводящих участков и рассчитывается оптимальный угол наклона участков (перемычек) относительно поверхностей генерирующих участков термоэлектрических ветвей. В зависимости от используемых полупроводниковых материалов и режимов работы термоэлектрического преобразователя выбирается толщина генерирующих участков термоэлектрических ветвей в пределах диапазона значений - от 50 нм до 5 мкм. Исходя из технологических возможностей послойного нанесения (осаждения) полупроводниковых пленок на подложку определяется точная ориентация поверхности контактного р-n перехода (между контактирующими участками термоэлектрических ветвей) по отношению к поверхности теплообменного слоя, расположенного в области контактного р-n перехода.Taking into account the requirements for electrical conductivity and thermal conductivity of the thermoelectric structure, the thickness and shape of the electrically conductive sections are determined and the optimal angle of inclination of the sections (jumpers) relative to the surfaces of the generating sections of thermoelectric branches is calculated. Depending on the semiconductor materials used and the operating conditions of the thermoelectric converter, the thickness of the generating sections of thermoelectric branches is selected within the range of values - from 50 nm to 5 μm. Based on the technological capabilities of layer-by-layer deposition (deposition) of semiconductor films on a substrate, the exact orientation of the surface of the contact pn junction (between the contacting sections of thermoelectric branches) is determined with respect to the surface of the heat-exchange layer located in the region of the contact pn junction.

Термоэлектрический преобразователь энергии может работать как в режиме генерации термо-ЭДС, так и в режиме генерации тепловых потоков. Данные эксплуатационные возможности и теплофизические характеристики преобразователя позволяют применять его в составе устройств и приборов различного назначения в качестве малоразмерного генератора электрической энергии или в качестве устройства охлаждения элементов конструкции, например в холодильных установках. В частности, термоэлектрический преобразователь энергии может использоваться для преобразования тепловой энергии, образующейся при работе полупроводниковых приборов, в том числе интегральных микросхем, в электрическую энергию. Для увеличения мощности преобразователя энергии линейные сборки тонкопленочных термоэлектрических ячеек послойно коммутируются по модульному принципу в единую электрическую схему, имеющую многослойную структуру.The thermoelectric energy converter can operate both in the thermoelectric power generation mode and in the heat flow generation mode. These operational capabilities and thermophysical characteristics of the converter allow it to be used as part of devices and devices for various purposes as a small-sized generator of electric energy or as a cooling device for structural elements, for example, in refrigeration units. In particular, a thermoelectric energy converter can be used to convert thermal energy generated during the operation of semiconductor devices, including integrated circuits, into electrical energy. To increase the power of the energy converter, linear assemblies of thin-film thermoelectric cells are switched layer by layer according to the modular principle into a single electric circuit having a multilayer structure.

Claims (19)

1. Термоэлектрический преобразователь энергии, содержащий по меньшей мере одну термоэлектрическую ячейку с пленочными термоэлектрическими ветвями, выполненными из полупроводниковых материалов с n- и p-проводимостью, теплообменные слои, в пространстве между которыми расположены последовательно соединенные между собой термоэлектрические ветви с n- и p-проводимостью, электроизолированные от поверхности теплообменных слоев, и электрические контакты, соединенные с термоэлектрическими ветвями, при этом пространство между теплообменными слоями и термоэлектрическими ветвями заполнено электро- и теплоизолирующим материалом, термоэлектрические ветви выполнены с двумя генерирующими участками, каждый из которых образует тепловой контакт с одним из противоположно расположенных теплообменных слоев, генерирующие участки каждой термоэлектрической ветви соединены между собой электропроводящим участком и образуют контактные р-n переходы с близлежащими участками соседних термоэлектрических ветвей, отличающийся тем, что генерирующие участки термоэлектрических ветвей в области контактных р-n переходов соединены между собой внахлест вдоль теплообменных слоев, толщина каждого генерирующего участка выбрана в диапазоне от 50 нм до 5 мкм, причем протяженность каждого контактного р-n перехода вдоль направления соединения термоэлектрических ветвей превышает толщину любого генерирующего участка, поверхность контактного р-n перехода между контактирующими участками термоэлектрических ветвей обращена к поверхности теплообменного слоя, расположенного в области контактного р-n перехода.1. Thermoelectric energy converter containing at least one thermoelectric cell with film thermoelectric branches made of semiconductor materials with n- and p-conductivity, heat-exchange layers, in the space between which there are series-connected thermoelectric branches with n- and p- conductivity, electrically insulated from the surface of the heat exchange layers, and electrical contacts connected to thermoelectric branches, while the space between the heat exchange The thermoelectric branches are filled with electrical and thermally insulating material, the thermoelectric branches are made with two generating sections, each of which forms thermal contact with one of the oppositely located heat exchange layers, the generating sections of each thermoelectric branch are interconnected by an electrically conductive section and form contact pn junctions with nearby sections of neighboring thermoelectric branches, characterized in that the generating sections of thermoelectric branches in the region and contact pn junctions are overlapped along the heat exchange layers, the thickness of each generating section is selected in the range from 50 nm to 5 μm, and the length of each contact pn junction along the direction of connection of thermoelectric branches exceeds the thickness of any generating section, the surface of the contact p -n junction between the contacting sections of thermoelectric branches facing the surface of the heat exchange layer located in the region of the contact pn junction. 2. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что толщина каждого генерирующего участка выбрана в диапазоне от 500 нм до 1,5 мкм.2. The Converter according to claim 1, characterized in that the thickness of each generating section is selected in the range from 500 nm to 1.5 μm. 3. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что поверхность контактного р-n перехода между контактирующими участками термоэлектрических ветвей ориентирована параллельно поверхности теплообменного слоя, расположенного в области контактного р-n перехода.3. The Converter according to claim 1, characterized in that the surface of the contact pn junction between the contacting sections of the thermoelectric branches is oriented parallel to the surface of the heat exchange layer located in the region of the contact pn junction. 4. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что электропроводящий участок выполнен из полупроводникового материала, идентичного по составу с полупроводниковым материалом, из которого выполнены соединяемые генерирующие участки термоэлектрической ветви.4. The Converter according to claim 1, characterized in that the electrically conductive section is made of a semiconductor material identical in composition to the semiconductor material from which the connected generating sections of the thermoelectric branch are made. 5. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что электропроводящий участок выполнен из материала, удельная электропроводность которого превышает максимальную величину удельной электропроводности материалов, из которых выполнены соединяемые электропроводящим участком генерирующие участки термоэлектрической ветви.5. The Converter according to claim 1, characterized in that the electrically conductive section is made of a material whose conductivity exceeds the maximum value of the specific conductivity of the materials from which the generating sections of the thermoelectric branch connected by the electrically conductive section are made. 6. Преобразователь по п. 5, отличающийся тем, что электропроводящий участок выполнен из полупроводникового материала, степень легирования которого отличается от степени легирования полупроводникового материала, из которого выполнены соединяемые электропроводящим участком генерирующие участки термоэлектрической ветви.6. The Converter according to claim 5, characterized in that the electrically conductive section is made of a semiconductor material, the degree of doping of which differs from the degree of doping of the semiconductor material, from which the generating sections of the thermoelectric branch connected by the electrically conductive section are made. 7. Преобразователь по п. 5, отличающийся тем, что электропроводящий участок выполнен из металла или сплава металлов.7. The Converter according to claim 5, characterized in that the electrically conductive section is made of metal or an alloy of metals. 8. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что поверхностные слои контактирующих участков термоэлектрических ветвей, расположенных в области контактного р-n перехода, выполнены из полупроводниковых материалов с n- и р-проводимостью, имеющих различную степень легирования.8. The Converter according to claim 1, characterized in that the surface layers of the contacting sections of thermoelectric branches located in the region of the contact pn junction are made of semiconductor materials with n- and p-conductivity having different degrees of doping. 9. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что между контактирующими поверхностями участков термоэлектрических ветвей в области контактного р-n перехода сформирован переходный пленочный слой из металла или сплава металлов.9. The converter according to claim 1, characterized in that a transition film layer of a metal or metal alloy is formed between the contacting surfaces of the sections of thermoelectric branches in the region of the contact pn junction. 10. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что в качестве материала, заполняющего пространство между теплообменными слоями и термоэлектрическими ветвями, использован полимерный материал.10. The Converter according to claim 1, characterized in that as the material filling the space between the heat exchange layers and thermoelectric branches, a polymeric material is used. 11. Преобразователь по п. 10, отличающийся тем, что в качестве полимерного материала использован полиимид.11. The Converter according to claim 10, characterized in that polyimide is used as the polymeric material. 12. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что в каждой термоэлектрической ячейке в материале, заполняющем пространство между теплообменными слоями и термоэлектрическими ветвями, выполнена по меньшей мере одна полость.12. The Converter according to claim 1, characterized in that at least one cavity is made in each thermoelectric cell in the material filling the space between the heat-exchange layers and thermoelectric branches. 13. Преобразователь по п. 12, отличающийся тем, что полость заполнена инертным газом.13. The Converter according to claim 12, characterized in that the cavity is filled with an inert gas. 14. Преобразователь по п. 12, отличающийся тем, что полость вакуумирована.14. The Converter according to claim 12, characterized in that the cavity is evacuated. 15. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что электропроводящий участок выполнен в виде плоской перемычки.15. The Converter according to claim 1, characterized in that the electrically conductive section is made in the form of a flat jumper. 16. Преобразователь по п. 15, отличающийся тем, что плоская перемычка расположена под острым углом относительно поверхностей генерирующих участков термоэлектрической ветви.16. The Converter according to claim 15, characterized in that the flat jumper is located at an acute angle relative to the surfaces of the generating sections of the thermoelectric branch. 17. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что термоэлектрические ветви электроизолированы от поверхности теплообменных слоев пленочным слоем диэлектрика, нанесенным на внутреннюю поверхность теплообменных слоев.17. The Converter according to claim 1, characterized in that the thermoelectric branches are electrically insulated from the surface of the heat transfer layers by a film dielectric layer deposited on the inner surface of the heat transfer layers. 18. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что при работе в режиме преобразования тепловой энергии в электрическую энергию электрические контакты, соединенные с термоэлектрическими ветвями, подключены к потребителю электрической энергии.18. The Converter according to claim 1, characterized in that when operating in the mode of converting thermal energy into electrical energy, electrical contacts connected to thermoelectric branches are connected to a consumer of electrical energy. 19. Преобразователь по п. 1, отличающийся тем, что при работе в режиме преобразования электрической энергии в тепловую энергию электрические контакты, соединенные с термоэлектрическими ветвями, подключены к источнику электропитания. 19. The Converter according to claim 1, characterized in that when operating in the mode of converting electrical energy into thermal energy, electrical contacts connected to thermoelectric branches are connected to a power source.

Images