热电元件以及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种具有第一热电层和第二热电层的热电薄层元件，其中，在构造出 pn结的情况下构造出这些层。此外，本发明还涉及一种用于制造这种热电元件的方法以及 热电发电机。
【背景技术】
[0002] 这种热电元件由EP 1 287 566 B1公知。在该热电元件中，相对于传统热电元件 实现了更高的效率，在传统热电元件中，pn结基本上在n层和p层的整个延伸部上构造，其 中，沿pn结边界面施加温度梯度。由此，在pn层组的两个端部之间形成了沿该长形构造的 pn结的温度差异，其导致热电元件的效率明显高于在传统热电元件情况下的效率。这种热 电元件有选择地与n层和p层接触。这可以通过将接触部和与之连接的pn结制成合金来 实现，或者可以通过直接接触n层和p层来实现。为了将许多这种热电元件装配成模块，这 些热电元件通过十字引导的线路串联。模块的各个热电元件热并联。
【发明内容】
[0003] 从现有技术出发，本发明的任务是，提供一种热电元件，其在无需布线的情况下适 用于热电发电机中的串联。此外，还说明了一种用于制造这种热电元件的方法。
[0004] 该任务的解决方案基于如下思想，即，热电薄层元件在冷侧上与两个接触面连接， 而在热侧上与一个接触面连接。此外，本发明基于如下思想，即，提供一种用于制造所述三 个接触面的廉价的方法。
[0005] 具体而言，在开头提到类型的热电元件中，该任务以如下方式来解决，即，基底在 基底的冷侧上具有第一接触面和第二接触面，而在基底的热侧上具有第三接触面，在冷侧 上的接触面与热侧上的接触面之间可以施加温度梯度，热电元件的第一热电层布置在基底 上并且将第二接触面与第三接触面连接，并且在构造出pn结的情况下，热电元件的第二热 电层布置在第一热电层上并且与第一接触面连接。
[0006] 由p层和n层构成的层组通过冷侧上的第一接触面和第二接触面有选择地进行接 触，其方式是，第一热电层以接触区段布置在基底的第二接触面上。借助第二热电层的布置 在基底的第一接触面上的接触区段实现第二热电层的有选择的接触。第二热电层的接触区 段凸出超过第一热电层与第二热电层之间的pn结。
[0007] 为了使温度梯度沿n层与P层之间的边界层的方向起作用，可以在冷侧上的接触 面与热侧上的接触面之间施加温度梯度。为此必需的是，第一和第二热电层的接触区段与 相应的接触面仅在部分区域中重叠。经由接触面的保留区域确保了与热源或热沉的良好的 热连接。同时，经由冷侧上的第一接触面和第二接触面实现了热电层的有选择的电接触。
[0008] 当第一热电层由n型的热电半导体材料构成时，第二热电层由p型的热电材料构 成。当第一热电层由P型的热电材料构成时，第二热电层由n型的热电材料构成。pn结优 选沿n层和p层的整体的优选最长的延伸部构造，并且因此基本上沿其整个边界层构造。
[0009] 尤其考虑半导体材料，例如扮2了63、？1^6、5166、81513或者？651 2作为热电材料。
[0010] 基底由电绝缘的相对于接触面具有明显更小的热导率的材料构成。基底材料可以 是刚性的或柔性的。例如考虑Kapton(聚酰亚胺薄膜）、Kevlar(凯芙拉）以及电路板材 料，例如EP2、85N、35N或复合材料作为基底材料。
[0011] 接触面必须具有高电导率和高热导率，以便借助夹紧、粘贴或其他形式或材料锁 合（stoffschlUssig)的连接方法实现与热源和热沉的良好的热连接。一方面为了层材料 的有选择的接触而需要高电导率，另一方面为了截取由热电元件或热电发电机产生的电压 而需要高电导率。考虑具有高热导率和高电导率的金属，尤其是铜或铜合金作为接触面材 料。接触区域可以附加地用镍进行覆层作为扩散势皇。
[0012] 为了着眼于高效率而使第一层和第二层的从pn结延伸出的接触区段保持尽可能 短，第三接触面优选与第一接触面和第二接触面错开地布置。该错开优选以如下方式来选 择，即，使第一接触面与第二接触面之间的间隙的延长部与第三接触面相交。
[0013] 在具有权利要求6的特征的热电发电机中，可以提高由热电元件产生的电压的输 出电压。着眼于自动化地制造这种发电机，所有热电元件优选仅布置在一个基底上，其中， 所有热电元件的第一接触面和第二接触面成列地布置在热侧上，而所有热电元件的第三接 触面成列地布置在基底的冷侧上。基底优选具有长形的矩形形状，其中，一个纵棱边形成热 侧而相对置的纵棱边形成冷侧。热侧上的接触面列和冷侧上的接触面列与纵棱边平行地延 伸。第一接触面和第二接触面优选明显大于第一热电层和第二热电层的位于接触面上的接 触区段。由于这种大小关系，根据本发明可以实现的是，一个热电元件的第二接触面同时形 成用于发电机的相邻的热电元件的第一接触面。由此，以特别简单和廉价的方式实施热电 发电机的相邻的热电元件之间的电串联。
[0014] 由权利要求9的特征得到用于制造热电元件或由此制成的发电机的优选的方法。 热电层的施装可以用不同的沉积方法来实现，但优选在印刷过程中实现。尤其考虑喷墨印 刷、胶版印刷或凹版印刷作为用于热电材料的印刷方法。所使用的墨水可以包含由碲化铋 (Bi2Te3)、蹄化锑（Sb2Te3)和/或硒化铋（Bi2Se3)、掺杂的锗化硅（SiGe)、掺杂的硅（Si)或 其他热电材料构成的颗粒。
[0015] 在施装热电材料层之后，优选对该热电材料层进行烧结和/或退火，以便改变所 施装的层的特性。尤其是通过退火来克服晶体损坏。只要在高温处理时附加地施加压力， 那么指的就是烧结。
【附图说明】
[0016] 下面结合图1至图3详细阐述用于制造根据本发明的热电元件或模块的方法。其 中：
[0017] 图1示出在施装第一热电层之后的示意性的布局图；
[0018] 图2示出在施装第二热电层之后的示意性的布局图；以及
[0019] 图3示出制成后的热电元件的俯视图以及剖面A-A和B-B。
【具体实施方式】
[0020] 图1示出具有热侧（110)和冷侧（120)的基底（100)。基底（100)具有长形的矩 形形状，其通过纵边缘（130、140)以及横边缘（150、160)限界。为了制造热电元件，基底在 冷侧（120)上配设有至少一个第一接触面（200)、第二接触面（210)，并且在热侧（110)上 配设有至少一个第三接触面（220)。接触面（200、210、220)例如由铜构成。
[0021] 首先，由p型掺杂的半导体材料构成的第一热电层在下文中也被称为p层（300)， 其以如下方式施装到这样提供的基底（100)上，即，使P层（300)将第二接触面（210)与第 三接触面（220)连接。与第二接触面（210)重叠的接触区段（310)用于有选择地接触热电 元件以及用于导出热量。与第三接触面（220)重叠的接触区段（320)用于从与第三接触面 (220)连接的热源中导入热量。
[0022] 在图2所示的下一方法步骤中，在构造出pn结的情况下，由热电传导的n型掺杂 的材料构成的第二热电层在下文中也被简称为n层（330)，其施装在p层（300)上，并且同 时与第一接触面（200)连接。与第一接触面（200)重叠的接触区段（340)用于导出热量。 n层（330)和p层（300)沿方向X(参见图2)构造出pn结，其中，p层（300)以其接触区段 (310)通过第二接触面（210)有选择地电接触，并且，n层（330)以其接触区段（340)通过 第一接触面（200)