Способ изготовления устройства для прямого термоэлектрического преобразования энергии

Способ изготовления устройства для прямого термоэлектрического преобразования энергии

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение направлено на способ изготовления устройства для прямого термоэлектрического преобразования энергии, при использовании которого существенно повышается эффективность преобразования энергии из тепла в электричество и наоборот и который направлен на состав вещества, предназначенного для изготовления устройств для прямого термоэлектрического преобразования энергии.

Уровень техники

При использовании технологии порошковой металлургии для получения указанного выше состава вещества следует учитывать последние разработки национального Института Стандартов и Технологий - НИСТ (NIST). Программа развития новой технологии или изобретение под названием: "Synthesis of Fine-Powder Polycrystalline Bi-Se-Te, Bi-Sb-Te and Bi-Sb-Se-Te Alloys for Thermoelectric Applications" была опубликована J. Terry Linch в июне 1996 г. в издании международного Термоэлектрического Общества: "Thermoelectric News". Предшественники сплавов, имеющие общий состав: Bi-Se-Te, Bi-Sb-Te и Bi-Sb-Se-Te синтезируют с использованием способа совместного водного осаждения и металло-органических комплексов. Восстановление предшественников водородом позволяет получить сплавы в форме тонкого поликристаллического порошка. Этот способ является более простым, чем обычная обработка плавлением, и позволяет получить выход 88-92% в лабораторных условиях. Новый способ позволяет снизить затраты на оборудование, материалы и трудозатраты, благодаря непосредственному получению тонких порошков, что, таким образом, позволяет исключить этапы перемола и просеивания, требуемые после обработки плавлением. Синтез предшественника происходит при температуре ниже 100°С в водном растворе с использованием общедоступных реактивов. Синтез сплава при температуре 300-400°С, которая ниже, чем температура обработки плавлением, обеспечивают выход продукта более 88% от теоретического уровня. При этом возможен переход на непрерывное производство с использованием обычной технологии поточного химического реактора. Такое новое развитие или изобретение улучшает эффективность и рентабельность производства твердотельных термоэлектрических устройств охлаждения и холодильных устройств. Поэтому, весьма вероятно, стоит дополнительно исследовать эти новые разработки с целью адаптации или распространения их на составы, которые составляют основу вариантов выполнения настоящего изобретения. Такой подход позволил бы, по существу, устранить основной недостаток технологии порошковой металлургии, в частности, связанный с нежелательным загрязнением или легированием состава примесями, а именно железом Fe, которое попадает в состав из стальных шаров, используемых для перемола, и стального корпуса планетарной шаровой мельницы. Это достигается благодаря отказу от использования планетарной шаровой мельницы, поскольку больше не требуется выполнять перемол и измельчение в порошок состава или сплава. Кроме того, новая технология, разработанная в НИСТ, в случае успешной адаптации к составам, представленным и заявленным в настоящем описании, также позволит преодолеть или устранить основные недостатки, присущие металлургическим технологиям плавления, указанным выше. Эти недостатки связаны с необходимостью перемешивания или подвода вибрации к составляющим в процессе плавления для получения однородного сплава, а также с требованием проведения плавки ингредиентов в атмосфере аргона или гелия при относительном давлении от 2 до 30 физических атмосфер, что необходимо для подавления потери магния и, таким образом, для получения стехиометрического состава сплава.

Термоэлектричество или термоэлектрика, как его называют в настоящее время, появилось после открытия в 1821 г. Томасом Йоханом Зеебеком первого термоэлектрического эффекта, который с тех пор известен как эффект Зеебека и характеризуется коэффициентом Зеебека. В 1833 г. Пельтье открыл второй термоэлектрический эффект, который с тех пор известен как эффект Пельтье. Зеебек обнаружил, что стрелка компаса может отклоняться, когда ее помещают возле замкнутой петли, изготовленной из двух различных металлов, когда на одном из двух переходов поддерживают более высокую температуру, чем на другом. Это позволило установить тот факт, что между этими двумя переходами присутствует или генерируется разность напряжений при наличии на них разности температур. Это явление также зависит от природы используемых металлов. Пельтье обнаружил, что на переходе из разных металлов происходят изменения температуры, сопровождаемые поглощением или выделением тепла, когда через переход пропускают электрический ток. В 1838 г. Ленц выдвинул объяснение явления поглощения или выделения тепла на переходе в зависимости от направления тока. Кроме того, сэр Уильям Томсон, позже известный как Лорд Кельвин, который вместе с немецким физиком Рудольфом Юлиусом Эммануелем Клаузиусом прославился в середине девятнадцатого столетия благодаря формулированию первого и второго законов термодинамики, а также благодаря открытию и установлению ими концепции энтропии, также внес важный вклад в развитие термоэлектричества. Он открыл третий термоэлектрический эффект: эффект Томсона, который относится к нагреву или охлаждению одиночного однородного проводника, на который воздействуют градиентом температуры. Он также вывел четыре важных уравнения, связывающих все три эффекта, а именно коэффициенты Зеебека, Пельтье и Томсона. Эти уравнения известны в данной области техники как соотношения Кельвина, и их можно найти в любом стандартном учебнике по термоэлектричеству или прямому преобразованию энергии. Термоэлектричество, кроме того, получило значительное развитие в 1885 г., когда лорд Релей рассмотрел возможность и предложил использовать эффект Зеебека для генерирования электричества. Веха в общей теории термоэлектричества, в частности, обеспечивающей лучшее понимание возможности использования и применения этого явления для прямого преобразования тепла в электричество и наоборот, была отмечена в 1911 г. благодаря работе Альтенкирха. Он создавал удовлетворительную теорию термоэлектричества для генерирования энергии и охлаждения. Его доводы сводились к тому, что для обеспечения наилучшей эффективности коэффициент Зеебека или термоэлектрическая мощность, как ее называют сейчас, должна быть как можно более высокой, то есть электропроводность должна быть высока, насколько это возможно, в то время как теплопроводность должна быть как можно более низкой. На основании этого мы получаем уравнение для коэффициента мощности: PF=S²σ=S²/ρ, где S = коэффициент Зеебека или термоэлектрическая мощность, σ = удельная электропроводность и ρ = удельное электрическое сопротивление, при этом величину коэффициента энергии необходимо увеличивать в максимально возможной степени, или максимизировать, и k = теплопроводность, значение которой должно быть уменьшено в максимально возможной степени, или минимизировано. В результате Альтенкирх установил следующее уравнение:

где показатель Z известен как термоэлектрический показатель качества и имеет размерность К^-1. Это уравнение может быть приведено к безразмерной форме, если умножить его на некоторое значение абсолютной температуры Т, которая может представлять собой температуру горячего перехода термоэлектрического устройства. Это дает основание для получения другого параметра: безразмерного термоэлектрического показателя качества ZT, который так же, как и Z, можно использовать в уравнениях эффективности и коэффициента полезного действия при преобразовании энергии с использованием любого термоэлектрического материала или устройства.

Современный период развития термоэлектричества фактически начался, когда внимание инженеров и ученых было сфокусировано на развитии технологии полупроводников. Последние определяют как вещества или материалы, удельная электропроводность которых имеет промежуточное значение между металлами и диэлектриками. При этом сравнение проводили между так называемыми минералами, которыми были представлены известные в то время полупроводники, и металлами. Было определено, что металлы обладают преимуществом, состоящим в их ковкости, относительно постоянных свойствах, то есть фактически независимых от температуры, а также химической стабильности, в то время как минералы или полупроводники в случае умеренного или даже сильного легирования обладают относительно высоким значением коэффициента Зеебека S и, следовательно, имеют умеренное значение термоэлектрического показателя качества Z. Недостаток металлов состоял в низком значении коэффициента Зеебека S, низкой величине термоэлектрического показателя качества Z, а также в том, что металлы имеют предел, определяемый законом Видемана-Франца, отношения теплопроводности, которая, в основном, является электронной, к электропроводности. Этот закон определяет, что такое отношение в зависимости от абсолютной температуры Т для металлов представляет собой прямую линию или линейную зависимость, наклон которой определяется числом Лоренца L. Таким образом, закон Видемана-Франца для металлов может быть выражен в следующей форме:

где k_el=электронная теплопроводность.

Для металлов k=k_el=общая теплопроводность, так как величина решеточной теплопроводности является несущественной, или ею можно пренебречь.

Недостатки минералов или полупроводников состояли в их хрупкости, определении зависимости свойств от температуры и отсутствии химической стабильности. Фактически, зависимость свойств полупроводников от температуры составила все теоретические исследования, проведенные в отношении их эффективности, показателя качества, эффективности преобразования энергии, коэффициента полезного действия, генерируемой мощности или потребляемой мощности, количества тепла, поглощаемого или отводимого на холодном переходе, количества тепла, отводимого, поглощаемого или передаваемого на горячем переходе, при использовании в качестве термоэлектрических материалов или термоэлементов, которая проявляется гораздо более сложно, чем у металлов. Таким образом, считалось, что металлы более пригодны для использования в качестве проводов для термопар, в то время как полупроводники рассматривали как материал, более пригодный для изготовления небольших модулей, составляющих основу термоэлементов, ножек или выводов термоэлектрических устройств. Следует подчеркнуть, что многие технологические сложности, с которыми исследователи столкнулись в области термоэлектричества, вытекают из того факта, что термоэлектрические устройства содержат модули или термоэлементы, изготовленные из полупроводников, которые обычно не обладают гибкостью, упругостью и химической стабильностью металлов.

Дальнейший прогресс в развитии термоэлектричества произошел в 1930-е годы, когда впервые были исследованы синтетические или сложные полупроводники. В 1947 г. Мария Телкес разработала и сконструировала термоэлектрический генератор энергии с эффективностью преобразования энергии на уровне 5%. Затем в 1949 г. А.Ф.Иоффе разработал теорию термоэлектричества полупроводников. Он написал две передовые книги: "Физика полупроводников" и "Полупроводниковые термоэлементы и термоэлектрическое охлаждение". Полупроводники, собственно, представляют собой вещества или материалы, имеющие промежуточный уровень электропроводности между металлами и изоляторами. Повышение электропроводности полупроводников обычно может быть получено путем увеличения количества свободных носителей заряда в них. Это может быть обеспечено путем ввода в полупроводник атомов соответствующего чужеродного элемента, соединения или материала, который обычно называют легирующим агентом или примесью, в соответствующем количестве или пропорции. Последний процесс ввода атомов чужеродного элемента или примеси в полупроводник называют легированием. При этом легирование выполняют так, чтобы привести концентрацию свободных носителей заряда в полупроводнике к уровню от 1×10¹⁸ до 5×10²⁰ носителей на кубический сантиметр при комнатной температуре. Легированные полупроводники с концентрацией свободных носителей порядка 10¹⁸ носителей на кубический сантиметр считаются "легко легированными", полупроводники со концентрацией свободных носителей заряда порядка 10¹⁹ носителей на кубический сантиметр называются "умеренно легированными", в то время как полупроводники с концентрацией свободных носителей заряда порядка 10²⁰ носителей на кубический сантиметр известны как "сильно легированные" полупроводники. Следует отметить, что коэффициент мощности, или S²σ, получается максимальным при концентрации свободных носителей заряда приблизительно 10¹⁹ носителей на кубический сантиметр. Аналогично, термоэлектрический показатель качества Z также получается максимальным приблизительно при такой же концентрации свободных носителей заряда 10¹⁹ носителей на кубический сантиметр. Эти соотношения составляют приблизительные или эмпирические правила, которые применимы ко всем полупроводникам вообще, но могут несколько различаться в зависимости от типа полупроводника.

Большинство полупроводников являются неэлементарными или синтетическими, то есть представляют собой соединения и, в общем, имеют от малого до умеренного значение энергии запретной зоны. В более ранних полупроводниках использовали элементы с большим атомным номером и атомным весом. Это было сделано преднамеренно для выбора элементов, имеющих как можно более низкое значение теплопроводности, благодаря чему оптимизировали значение термоэлектрического показателя качества. При этом использовали правило, состоящее в том, что чем выше атомный номер и атомный вес элемента, тем ниже его теплопроводность. Это, в свою очередь, привело к "критерию выбора тяжелого элемента". В соответствии с этим критерием необходимо было выбирать и отдавать предпочтение элементам с большим атомным весом, то есть тяжелые элементы по сравнению с другими более легкими элементами, поскольку можно было предполагать, что такой элемент будет иметь наименьшую возможную теплопроводность. В результате этого можно было получить наиболее возможное значение термоэлектрического показателя качества. Рассуждения такого рода были весьма распространенными и плодотворными в тридцатые, сороковые и пятидесятые годы и распространялись без малейшей тени сомнения самим А.Ф.Иоффе. Они, определенно, инициировали научно-исследовательскую работу, которая привела к выбору двух наиболее эффективных и наиболее часто используемых до настоящего времени термоэлектрических материалов, теллурида висмута Bi₂Те₃ и теллурида свинца PbTe. Первый получил с тех пор широкое использование в термоэлектрических холодильных установках или в установках охлаждения, в то время как последний успешно применяли как для термоэлектрического охлаждения, так и для термоэлектрического генерирования энергии. Однако такой подход или концепция, основанный на том, что чем ниже теплопроводность элемента, тем больше его атомный вес или атомный номер, не обязательно является справедливым для всей Периодической таблицы элементов Менделеева. Это утверждение, таким образом, справедливо только частично. Его справедливость становится более заметной и акцентированной, начиная с колонки, представляющей группу элементов IVB, при движении вниз к самым нижним рядам, а также при движении вправо, к группам элементов VB и VIB. Таким образом, несмотря на первоначальные успехи в тридцатые, сороковые и пятидесятые годы в выборе хороших термоэлектрических элементов и соединений показатель или концепция выбора тяжелого элемента не является универсальным в отношении всех элементов Периодической таблицы Менделеева. Эти ранние наблюдения, концепция или показатель, помимо того, что они помогли идентифицировать и получить два наилучших на то время материала в области термоэлектричества, одновременно также позволили идентифицировать или найти в сумме пять, в основном тяжелых, элементов, а именно: свинец, висмут, сурьма, теллур и селен. Все эти пять элементов, также имеющие низкие значения теплопроводности, позволили достичь успехов в развитии термоэлектричества в тридцатые, сороковые и пятидесятые годы, а именно в области термоэлектрического охлаждения и термоэлектрического генерирования энергии. Таким образом, с использованием вышеуказанного показателя возникли или были впоследствии разработаны более синтетические полупроводники или полупроводники, представляющие собой соединения. Некоторые из примеров могут быть представлены селенидом свинца, антимонидом свинца, селенидом теллурида свинца, селенидом антимонида свинца, антимонидом висмута, селенидом висмута, теллуридом сурьмы, антимонидом теллурида серебра, селенидом теллурида висмута и селенидом антимонида висмута.

Таким образом, поскольку электропроводность полупроводника должна быть, в общем, увеличена для получения максимального значения термоэлектрического показателя: PF=S²σ=S²/ρ, то полупроводники обычно должны быть умеренно или сильно легированными. Кроме того, для того чтобы также получить максимальное значение термоэлектрического показателя качества:

теплопроводность также должна быть уменьшена или снижена в максимально возможной степени. Для достижения этого следует использовать "критерий выбора тяжелых элементов" А.Ф.Иоффе, который был упомянут ранее в данном описании, при выборе элементов из Периодической таблицы Менделеева, а также учитывать возможность использования пяти элементов, занимающих седьмой или нижний ряд и одновременно принадлежащих группам FVB, VB, VTB, VTIB и VHI Периодической таблицы Менделеева. Эти пять элементов обладают самыми высокими пятью атомными номерами, возможными в Периодической таблице Менделеева, а именно 100, 101, 102, 103 и 104, и имеют соответствующие значения атомного веса, составляющие 257, 258, 259, 262 и 261 соответственно. Соответствующие названия этих элементов: фермий Fm, менделевий Md, нобелий No, лоуренсий Lr и дубний Unq соответственно. Эти названия рекомендованы Международным союзом теоретической и прикладной химии ИЮПАК (IUPAC) и модифицированы в соответствии с предложениями исследователей г.Беркли (США). Указанные выше пять элементов, имеющие наибольшие атомные номера и значения атомного веса в Периодической таблице Менделеева, к сожалению, мало пригодны для нашей цели, то есть для термоэлектрического преобразования энергии. Все они представляют собой полученные синтетически, короткоживущие радиоактивные элементы - металлы и поэтому их следует отбросить. В результате, следует обратить внимание на пять элементов, расположенных непосредственно над вышеуказанными элементами Fm, Md, No, Lr и Unq в 6-м ряду. Таким образом, можно найти или идентифицировать пять новых элементов, из которых, соответственно, можно выбрать наилучший или идеальный термоэлектрический полупроводниковый материал. Эти элементы представляют собой свинец, висмут, полоний, астат и радон. Радон Rn представляет собой тяжелый газообразный радиоактивный элемент, и, следовательно, его можно не рассматривать. Астат At представляет собой чрезвычайно неустойчивый радиоактивный элемент, и его также следует исключить. Полоний Ро является природным радиоактивным элементом - металлом, и его также следует исключить из возможных вариантов выбора. В результате, оставляются только висмут Bi и свинец Pb с атомными номерами 83 и 82 и атомным весом 208,98 и 207,2 соответственно, которые можно использовать в качестве идеальных термоэлектрических полупроводниковых элементов или материалов. При этом каждый физик, работавший в то время в области термоэлектричества, как в теоретических исследованиях, так и при проведении экспериментальных работ, что также весьма вероятно относится к самому А.Ф.Иоффе, должен был учитывать, что получение сплавов или продуктов реакции висмута или свинца с теллуром, который является неметаллическим полупроводниковым элементом, позволяет получить соединения, определенно являющиеся полупроводниками. Кроме того, в результате реакции или сплавления висмута и свинца с теллуром получают соединение теллурид висмута Bi₂Те₃ и теллурид свинца PbTe соответственно, что позволяет дополнительно уменьшить теплопроводность получаемых в результате соединений и привести ее к некоторому промежуточному значению, находящемуся между значениями теплопроводности исходных ингредиентов. Таким образом, благодаря сплавлению висмута с теллуром можно уменьшить теплопроводность первого до некоторого промежуточного значения между значениями теплопроводности висмута и теллура. Хотя свинец в отличие от висмута проявляет свойства скорее металла, чем полупроводника, что затрудняло в прошлом его идентификацию в качестве потенциального термоэлектрического материала, даже при сплавлении или реакции его с теллуром, его использование позволило получить другие имеющие важное значение синтетические полупроводники или полупроводники на основе соединений с исключительными или уникальными термоэлектрическими свойствами, то есть теллурид свинца PbTe. Хотя теллурид висмута более известен благодаря его более распространенному или преобладающему использованию в термоэлектрических холодильных установках, теллурид свинца несмотря на жесткую конкуренцию со стороны кремниево-германиевых сплавов, а именно Si_0,7Ge_0,3, до настоящего времени позволяет получить наилучшие материалы для термоэлектрического генерирования энергии. Указанные два синтетических материала или полупроводниковые соединения, то есть Bi₂Te₃ и PbTe, явились, без малейшей тени сомнения, основанием больших успехов и триумфа в термоэлектричестве до шестидесятых годов. В заключение следует отметить, что первый термоэлектрический холодильник или тепловой насос был построен в 1953 г., в то время как первый термоэлектрический генератор энергии с коэффициентом полезного действия 5% был создан в 1947 г. Марией Телкес.

Большинство полупроводников имеют от низкого до умеренного значения ширины запрещенной энергетической зоны. Ширина запрещенной энергетической зоны является единственным наиболее важным фактором, который следует учитывать при исследовании, разработке или синтезе любого нового полупроводникового материала, с возможностью или потенциалом использования для прямого термоэлектрического преобразования энергии. Значение ширины запрещенной энергетической зоны является основным показателем при выборе термоэлектрических материалов, поскольку ширина запрещенной зоны представляет собой величину энергии, требуемой для удаления электрона из локализованной связывающей орбитали и подъема электрона до уровня проводимости. Материал с малой шириной запрещенной энергетической зоны является нежелательным, поскольку это приводит к тому, что материал становится вырожденным или беспримесным при относительно низкой температуре. В соответствии с формулой, разработанной Пьером Агреном, чем меньше ширина запрещенной энергетической зоны материала, тем ниже температура, при которой материал становится беспримесным или вырожденным и, таким образом, не пригодным для термоэлектрического преобразования энергии. Причина этого явления состоит в том, что, когда материал становится вырожденным, увеличивается как его электропроводность, так и теплопроводность, однако его термоэлектрическая мощность, которая повышена до показателя степени 2, также в существенной степени уменьшается, и это отрицательно влияет на показатель качества. И вновь из формулы Агрена можно видеть, что чем больше запрещенная энергетическая зона материала, тем выше его максимальная температура горячего перехода, при которой устройство, содержащее такой материал, может работать при поддержании высокого значения термоэлектрического показателя качества. Устройство, в котором одновременно максимальная температура горячего перехода и термоэлектрический показатель качества являются адекватно высокими, также будет иметь высокую общую эффективность преобразования энергии. С другой стороны, очень широкая запрещенная энергетическая зона остается нежелательной, поскольку она подразумевает большую трудность удаления электронов из локализованных связывающих орбиталей в зоны проводимости. Следовательно, умеренная ширина запрещенной энергетической зоны, а именно приблизительно 0,6 электрон-вольт, является адекватной для прямого термоэлектрического преобразования энергии. Эта цифра была предложена Пьером Агреном в качестве одной из характеристик хороших термоэлектрических материалов. В приведенной ниже таблице представлены значения ширины запрещенной энергетической зоны различных полупроводниковых интерметаллических соединений или синтетических полупроводников и соответствующих полупроводниковых элементов и элементов - металлов.

Соединение или элемент	Ширина запрещенной энергетической зоны	Соединение или элемент	Ширина запрещенной энергетической зоны	Соединение или элемент	Ширина запрещенной энергетической зоны
Ca2Si	1,9	PbS	0,37	α-LaSi2	0,19
Ca2Sn	0,9	InSb	0,27	OsSi2	1,4
Ca2Pb	0,46	InAs	0,47	Os2Si3	2,3
Mg2Si	0,78	AlSb	1,6	Ru2Ge3	0,34
Mg2Ge	0,70	GaSb	0,8
Mg2Sn	0,36	ReSi2	0.12
Mg2Pb	0,10	FeSi2	0,9
BaSi2	0,48	Ru2Si3	0,9
MnSi1,73	0,67	Si	1,1
CrSi2	0,35	Ge	0,60
SixGe1-x	0,7	Sn	0,10

Таким образом, большинство полупроводников, в частности полупроводников, используемых в области термоэлектричества, обычно имеют от низкого до умеренного значения ширины запрещенной энергетической зоны, и их выбирают или получают так, чтобы они имели большой атомный вес для снижения теплопроводности. Многие полупроводники являются мягкими или хрупкими, имеют ковалентные химические связи и в некоторой степени являются химически нестабильными или реагируют с кислородом атмосферы и влагой, а также имеют от низкой до умеренной температуры плавления.

В 1956 г. А.Ф.Иоффе рассмотрел идею сплавления или формирования твердых растворов, изоморфных полупроводниковых соединений для снижения теплопроводности термоэлектрических материалов. Это явление происходит в результате фонон-фононового взаимодействия, и получаемого в результате фонон-фононового рассеяния, пропорция которого повышается с увеличением температуры, просто благодаря тому, что образуется большее количество фононов. В представлении фононов средствами квантовой механики этот тип фонон-фононового рассеяния описывается как абсорбция или эмиссия одного фонона другим фононом. Таким образом, при фонон-фононовом взамодействии, падающий или влетающий фонон увеличивает свою энергию благодаря взаимодействию с препятствием и поглощением одного фонона. Эмиссия фонона происходит аналогично, за исключением того, что падающий или влетающий фонон теряет энергию, и препятствие представлено испускаемым фононом.

Следующий по важности источник рассеяния фононов образуется благодаря точечным дефектам. Точечный дефект просто означает, что один из атомов, составляющих кристалл, отличается от всех других. Точечный дефект, по определению, является очень небольшим и оказывает незначительное влияние или не влияет на фононы с большой длиной волны или малой энергией. Но фононы с короткой длиной волны или высокой энергией сильно рассеиваются точечными дефектами. Дефект любого типа приводит к рассеянию фононов, но наиболее важный тип точечного дефекта в термоэлектрических материалах обычно представляет собой атом с весом, очень отличающимся от веса кристалла-хозяина.

Когда основное различие между точечным дефектом и кристаллом-хозяином представлено массой атома, рассеяние часто называют "рассеянием сплава", "рассеянием из-за флуктуации массы" или "рассеянием сплава из-за флуктуации массы". Аналогично, когда основное различие между точечным дефектом и кристаллом-хозяином представляет собой объем, занимаемый атомом, рассеяние называют "рассеянием из-за флуктуации объема" или "рассеянием сплава из-за флуктуации объема". Обычно основное различие между точечным дефектом и кристаллом-хозяином связано одновременно с массой и объемом атома. Таким образом, обычно одновременно происходит рассеяние из-за флуктуации массы и рассеяние из-за флуктуации объема. Вследствие этого термин "рассеяние сплава", в общем, подразумевает фонон-фононовое рассеяние на точечном дефекте одновременно из-за флуктуации массы и объема или различий между точечными дефектами и атомами кристалла-хозяина. Термины "рассеяние из-за флуктуации массы и объема" или "рассеяние сплава" обычно используются предпочтительно по сравнению с термином "рассеяние точечным дефектом", когда атомы точечных дефектов присутствуют в достаточно существенных порциях в смеси или сплаве, который составлен из атомов кристалла-хозяина и атомов дефекта. Но идея или принцип остаются теми же, если кристаллическая решетка действительно является однородной, траектория фононов подвержена очень незначительному рассеянию. В то же время, когда решетка содержит значительное количество дефектов, фононы подвергаются сильному рассеянию.

Сущность изобретения

В соответствии с одним вариантом выполнения настоящего изобретения способ изготовления устройства для прямого термоэлектрического преобразования энергии, состоящего из отвода р-типа, отвода n-типа, горячего перехода и холодного перехода, содержит использование состава для изготовления отвода n-типа и/или отвода р-типа устройства, в котором состав содержит магний, кремний, свинец и барий и в случае необходимости содержит один или несколько дополнительных легирующих материалов. Состав может также не содержать дополнительный легирующий материал или материалы.

Четыре основных элемента - составляющих состава, а именно Mg, Si, Pb и Ва, смешивают вместе для проведения химической реакции между ними для формирования соединения. Таким образом, в соответствии с другим вариантом выполнения настоящего изобретения способ изготовления устройства для прямого термоэлектрического преобразования энергии, состоящего из отвода р-типа, отвода n-типа, горячего перехода и холодного перехода, содержит использование состава при изготовлении отвода n-типа и/или отвода р-типа устройства, в котором состав содержит силицид магния Mg₂Si, в котором часть магния заменена барием и часть кремния заменена свинцом. Состав, таким образом, представляет собой сплав или твердый раствор интерметаллических соединений, содержащий силицид магния, плюмбид магния, силицид бария и плюмбид бария, в котором состав имеет следующую формулу составляющих:

Ba_2rMg_2(1-r)Si_1-xPb_x

где r, (1-r), (1-х) и х представляют атомарные пропорции каждого из элементов барий, магний, кремний и свинец в сплаве соответственно, и в котором состав, в случае необходимости, содержит один или несколько дополнительных легирующих материалов. Состав также может не содержать дополнительный легирующий материал или материалы.

В соответствии с другим вариантом выполнения настоящего изобретения отводы n-типа и р-типа устройства для прямого термоэлектрического преобразования энергии изготовляют с использованием технологии тонких пленок, в котором толщина или длина отводов существенно уменьшены, что приводит к существенному уменьшению общих размеров, а также к увеличению эффективности преобразования энергии устройства.

В соответствии с другим вариантом выполнения настоящего изобретения термоэлементы или отводы n-типа и р-типа заключены внутри очень тонкого слоя материала, покрыты или окружены очень тонким слоем материала, который представляет собой очень плохой проводник как тепла, так и электричества, в котором тонкий слой или капсула не имеет контакт с горячим и холодным переходами, имеет очень незначительный контакт с боковой поверхностью каждого термоэлемента и проходит по всей его длине, в котором контакт или контакты располагаются очень близко к горячему и холодному переходам, в котором капсула имеет круглое, практически квадратное или прямоугольное поперечное сечение, в котором данный материал не реагирует немедленно и в течение длительного времени химически или посредством диффузии с составом, из которого состоят отводы, и в котором материал капсулы имеет очень высокую химическую и механическую стабильность и проявляет значительную устойчивость к воздействию кислот, коррозии и высоких температур.

В соответствии с другим вариантом выполнения настоящего изобретения технологию тонких пленок, технологию изготовления интегральных микросхем и технологию заключения в капсулу используют в комбинации при изготовлении и сборке устройств прямого термоэлектрического преобразования энергии, содержащих данный состав.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 показана блок-схема выполнения основных компонентов устройства для прямого термоэлектрического преобразования энергии; и

на фиг.2 представлена Периодическая таблица Менделеева, в которой выделена основная концепция настоящего изобретения.

Подробное описание изобретения

Настоящее изобретение направлено на процесс или способ изготовления устройства для прямого термоэлектрического преобразования энергии, с помощью которого существенно повышается эффективность преобразования энергии из тепла в электричество, или наоборот, как показано на фиг.1. Источники тепловой энергии включают солнечное излучение, ядерный элемент или ячейку, сгорание ископаемого топлива, отбросное тепло бойлера, выхлопные газы газовой турбины или автомобиля и биологические отходы или биомассу.

Настоящее изобретение также относится к составу, который используют при изготовлении устройств для прямого термоэлектрического преобразования энергии.

Настоящее изобретение относится к устройству для прямого преобразования тепловой энергии в электрическую энергию или наоборот.

Настоящее изобретение относится к способу подготовки составов для прямого термоэлектрического преобразования энергии.

В соответствии с одним вариантом выполнения или аспектом настоящего изобретения способ изготовления устройства для прямого термоэлектрического преобразования энергии, состоящего из отвода или термоэлемента р-типа, отвода или термоэлемента n-типа, горячего перехода и холодного перехода, включает использование состава при изготовлении отвода n-типа и/или отвода р-типа устройства, в котором состав содержит силицид магния, Mg₂Si, в котором часть магния заменена барием и часть кремния заменена свинцом, в котором состав, таким образом, представляет собой сплав или твердый раствор интерметаллических соединений, содержащий силицид магния, плюмбид магния, силицид бария и плюмбид бария, в котором состав имеет следующую формулу составляющих:

Ba_2rMg_2(1-r)Si_1-xPb_x

где r, (1-r), (1-х) и х представляют атомарные пропорции каждого из элементов барий, магний, кремний и свинец в сплаве соответственно и в котором состав в случае необходимости содержит один или несколько дополнительных легирующих материалов.

Благодаря тщательному подбору параметров r и х в формуле составляющих становится возможным получить составы, имеющие чрезвычайно низкие значения теплопроводности, минимальное значение которой должно приблизительно составлять 0,002 Вт·см^-1К^-1. Атомарная или молекулярная пропорция легирующего агента или примеси, а также концентрация свободных носителей зарядов в составе вещества предпочтительно должны находи