碲化鉍革新小型熱電轉(zhuǎn)換模塊制造方法成本降至三分之一
發(fā)布時間：2020-04-28 08:37:20文章來源：http://www.chinaindium.org/2014/0127/14909.html關(guān)注量：3985
松下開發(fā)出了碲化鉍（BiTe）基熱電轉(zhuǎn)換元件和模塊的新型制造方法，在實(shí)現(xiàn)元件和模塊小型化的同時，還降低了材料成本、增強(qiáng)了模塊強(qiáng)度，并且提高了生產(chǎn)效率。
在元件的小型化和降低材料成本方面，在發(fā)電性能相同的情況下，采用新方法制造的模塊的面積只有采用傳統(tǒng)方法制造的模塊的1/4，材料成本僅為其1/3。松下制造本部生產(chǎn)技術(shù)開發(fā)中心生產(chǎn)技術(shù)研究所熱電轉(zhuǎn)換項(xiàng)目主管技師前嶋聰介紹說，“過去，熱電轉(zhuǎn)換模塊之所以僅在冷卻用途普及，是因?yàn)槠鋬r(jià)格高。而此次的技術(shù)有望解決這一課題”?，F(xiàn)在，采用新型制造方法的量產(chǎn)技術(shù)也已經(jīng)有了眉目，該公司的目標(biāo)是在2014財(cái)年內(nèi)使其投入實(shí)用。
利用玻璃管抽取
新方法是利用細(xì)玻璃管抽取在600℃以上的高溫下熔化的Bi和Te，然后通過冷卻使其結(jié)晶。玻璃管采用耐熱性強(qiáng)的高硼硅玻璃。結(jié)晶后，將晶體與玻璃管一同切割，利用貼片機(jī)安裝在電路板上制成模塊。
松下開發(fā)的BiTe基熱電發(fā)電模塊的新制造方法。利用直徑為0.8mm的細(xì)玻璃管吸取熔化的Bi和Te，冷卻后使其結(jié)晶。截?cái)嗪笫褂觅N片機(jī)安裝在電路板上，將玻璃用作包裹元件的保護(hù)層。
這種制造方法具有許多優(yōu)勢，最大的優(yōu)點(diǎn)在于能夠在元件小型化的同時，提高材料的利用率。傳統(tǒng)方法要耗費(fèi)大量時間使Bi和Te的熔融物冷卻并結(jié)晶，制成晶塊后還要切割成元件，切割元件時共需切割3次，因此，在推進(jìn)元件小型化時，存在材料切割損耗太大的課題。而新方法只需切割1次，切割損耗很小，不僅可實(shí)現(xiàn)元件的小型化，材料成本還減少到了傳統(tǒng)方法的1/3。
與此同時，采用新方法后，模塊的強(qiáng)度和元件間的絕緣性也有所提升。這是因?yàn)槲r使用的玻璃管直接成了包裹元件的保護(hù)層，改善了BiTe基熱電轉(zhuǎn)換模塊存在的小型化之后容易破碎的課題?！安⑶彝ㄟ^了為應(yīng)用于車載用途而實(shí)施的振動試驗(yàn)”。
除此之外，新方法還具備可縮短制造流程、大幅提高生產(chǎn)效率的優(yōu)點(diǎn)。原因是冷卻是在玻璃細(xì)管內(nèi)進(jìn)行，晶體生長的速度比過去的晶塊快40倍。玻璃管的直徑雖然只有0.8mm，但是在量產(chǎn)時，通過同時使用多根玻璃管，生產(chǎn)效率有望得到提高。據(jù)介紹，模塊的月產(chǎn)量有望達(dá)到1萬個。
高溫區(qū)的發(fā)電性能也有所提高
新方法的優(yōu)點(diǎn)還具有其他的優(yōu)點(diǎn)，例如，有可能提高元件的發(fā)電性能。
松下通過第一性原理計(jì)算等方式，對BiTe基熱電轉(zhuǎn)換元件的發(fā)電性能進(jìn)行了理論分析，圍繞制作尤其困難的n型Bi2Te3晶體進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)了利用該晶體發(fā)電的理想晶體結(jié)構(gòu)，以及實(shí)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)的載流子密度等條件（圖2），而且還找到了最適合發(fā)電的晶體取向，以及如何利用新方法實(shí)現(xiàn)這種晶體取向。舉例來說，如果使吸取速度放慢，溫度梯度的方向?qū)⑴c玻璃管平行，就會形成有利于發(fā)電的、晶體a軸容易生長的晶體取向。
松下通過第一性原理計(jì)算分析最適合發(fā)電的n型晶體構(gòu)造，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，使晶體的a軸與溫度梯度方向保持一致，能令性能指數(shù)提高到c軸與溫度梯度方向一致時的2.4倍。此次的方法有望實(shí)現(xiàn)與之相近的晶體取向。
用新方法制造的BiTe基元件設(shè)想用于高溫側(cè)為100℃左右、溫度相對較低的用途，而擁有最佳晶體結(jié)構(gòu)的熱電元件則設(shè)想在幾百℃的高溫領(lǐng)域用途發(fā)揮威力。
還瞄準(zhǔn)了車載和大型發(fā)電用途
松下準(zhǔn)備將這種開發(fā)技術(shù)廣泛用于各種溫度區(qū)域和用途（圖3）。在低溫區(qū)設(shè)想的用途包括利用體溫和環(huán)境的熱量構(gòu)筑無需電池的傳感器網(wǎng)絡(luò)，以及利用消費(fèi)類產(chǎn)品內(nèi)使用的半導(dǎo)體的熱能產(chǎn)生電能；在中高溫區(qū)的用途包括利用汽車發(fā)動機(jī)和尾氣的余熱以及工廠的廢熱來發(fā)電等。
松下為熱電元件以及新開發(fā)的技術(shù)設(shè)想的用途。在溫度低于150℃的低溫區(qū)可用于能量采集用途，在150℃以上的中高溫區(qū)設(shè)想的用途是大規(guī)模、大功率發(fā)電。
