一种耐高温半导体温差发电器件及制作方法

摘要

本发明公开了一种耐高温半导体温差发电器件及制作方法，包括敷铜陶瓷板、N/P半导体元件、热面3D打印电极、热面陶瓷板和电源线，N/P半导体元件设于敷铜陶瓷板上，热面3D打印电极设于N/P半导体元件上，热面陶瓷板设于热面3D打印电极上，本发明结构合理，同时采用本发明制作出来的半导体温差发电器件的冷面温度可升至300℃，热面高温端温度可达到500℃以上，大大提高了温差，从而提高发电效率，应用环境更广泛。

说明书

技术领域

本发明涉及半导体发电装置领域，具体是一种耐高温半导体温差发电器件及制作方法。

背景技术

半导体温差发电是一种将温差能(热能)转化成电能的固体状态能量转化方式。发电装置无化学反应和机械运动，无噪声、无污染、无磨损、寿命长。它的核心部件是半导体温差发电器件。但是，目前半导体温差发电器件的耐热温度最高350℃，发电材料一般用碲化铋材料，热电转化效率低，最高不到5％，单组模块发电功率比较小(目前市场上的发电模块实际发电功率小于5w)，这是半导体温差发电实用化的最大障碍。为了提高发电器件的使用温度从而提高发电功率，我们采用型的制作工艺，选用不同的半导体发电材料(碲化铋、碲化铅、方钴矿、铜化硒等)制作出400-500度耐高温发电器件，大大提高温差从而得到更大的发电功率，应用的环境更广泛。

目前生产中低温半导体发电器件的材料大都为碲化铋基材，最高温度350℃，生产加工工艺一般是冷面采用金属化陶瓷板，挂上最高温度230℃合金焊锡，焊上铜导流条，在导流条上均匀点锡，再将加工后碲化铋NP元件焊接在导流条上，形成冷面焊接电路。热面加工有两种方法：1、一般采用300℃铅锡合金作为焊料焊接导流条与半导体N/P晶粒，然后在焊接已经做好的冷面及碲化铋NP元件，2、热面电极采用电弧喷涂的方法在NP元件表面喷涂镍层和铝合金层作为过渡层，再喷涂锌层作为电极连接条，形成电路，热面直接附上陶瓷基板。这样做成的半导体温差发电器件冷面最高耐温200℃，热面最高耐温在350℃左右。

发明内容

本发明的目的在于提供一种耐高温半导体温差发电器件及制作方法。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

8)一种耐高温半导体温差发电器件，包括敷铜陶瓷板、N/P半导体元件、热面3D打 印电极、热面陶瓷板和电源线，N/P半导体元件设于敷铜陶瓷板上，热面3D打印电极设于N/P半导体元件上，热面陶瓷板设于热面3D打印电极上，且热面陶瓷板连接电源线，所述敷铜陶瓷板上设有导流条。为了使发电片更好地和冷、热源接触，使用前在发电器件表面要贴敷一层石墨烯导热胶片，大大提高了热传导效果。

一种耐高温半导体温差发电器件的制作方法，其具体包括以下步骤：

1)将敷铜陶瓷板上的导流条表面清洗干净，直至无氧化层；

2)将温度为300℃的焊锡膏采用配套的不锈钢印胶板均匀的印在覆铜陶瓷板的导流条内，且敷设厚度为0.1-0.2mm；

3)将半导体热电材料分N/P型切割成规格为1.0x1.0x1.2mm-1.6x1.6x2.0mm的长方形元件，并将切割好后的长方形N/P半导体元件摆入模具内；

4)将器件焊机升温至380℃，将步骤1中印好焊锡膏的覆铜板与步骤2中摆好N/P半导体元件的模具对应扣好，并放到器件焊机里，升温，待温度恒定在350℃以上时，观察焊锡膏是否熔化，直至焊锡膏完全熔化，取出焊机冷却，焊锡膏冷却凝固以后，冷面制作完成；

5)采用金属3D打印机，在冷面焊接好的N/P半导体元件的表面先打印镍层，厚度为0.1-0.2mm，然后再镍层上面开始打印铝电极，铝电极厚度大约1-2mm，使N/P元件按要求连接起来形成电路；

6)将步骤5中打印好铝电极的N/P半导体元件，上磨床将铝电极磨平，并在铝电极表面粘接一层石墨烯导热胶片，使电极能够更好地与热面陶瓷板接触，增加热传导效果；

7)将热面陶瓷板附在铝电极上，并在热面陶瓷板上焊上电源线，同时在热面陶瓷板的四周用耐高温密封胶密封，待密封胶固化以后，温差发电器件就做好了。

为了使发电片更好地和冷、热源接触，使用前在发电器件表面要贴敷一层石墨烯导热胶片，大大提高了热传导效果。

作为本发明进一步的方案：步骤3中的半导体热电材料为碲化铋或或碲化铅、方钴矿、铜化硒。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明结构合理，同时采用本发明制作出来的半导体温差发电器件的冷面温度可升至300℃，热面高温端温度可达到500℃以上，大大提高了温差，从而提高发电效率，应用环境更广泛。

附图说明

图1为本发明一种耐高温半导体温差发电器件中冷面覆铜陶瓷板的结构示意图。

图2为本发明一种耐高温半导体温差发电器件中N/P元件焊接在冷面以后的结构示意图。

图3为本发明一种耐高温半导体温差发电器件经3D打印电极以后的示意图。

图4为本发明一种耐高温半导体温差发电器件组装好的半导体温差发电器件示意图。

图中：1-敷铜陶瓷板、2-N/P半导体元件、3-热面3D打印电极、4-热面陶瓷板、5-电源线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1～4，一种耐高温半导体温差发电器件，包括敷铜陶瓷板1、N/P半导体元件2、热面3D打印电极3、热面陶瓷板4和电源线5，N/P半导体元件2设于敷铜陶瓷板1上，热面3D打印电极3设于N/P半导体元件2上，热面陶瓷板4设于热面3D打印电极3上，且热面陶瓷板4连接电源线5，所述敷铜陶瓷板1上设有导流条。

实施例1

本发明实施例1中，一种耐高温半导体温差发电器件的制作方法，其具体包括以下步骤：

1)将敷铜陶瓷板1上的导流条表面清洗干净，直至无氧化层；

2)将温度为300℃的焊锡膏采用配套的不锈钢印胶板均匀的印在覆铜陶瓷板1的导流 条内，且敷设厚度为0.1mm；

3)将半导体热电材料分N/P型切割成规格为1.4x1.4x1.6mm的长方形元件，并将切割好后的长方形N/P半导体元件2摆入模具内；

4)将器件焊机升温至380℃，将步骤1中印好焊锡膏的覆铜板与步骤2中摆好N/P半导体元件2的模具对应扣好，并放到器件焊机里，升温，待温度恒定在350℃以上时，观察焊锡膏是否熔化，直至焊锡膏完全熔化，取出焊机冷却，焊锡膏冷却凝固以后，冷面制作完成；

5)采用金属3D打印机，在冷面焊接好的N/P半导体元件2的表面先打印镍层，厚度为0.1mm，然后再镍层上面开始打印铝电极，铝电极厚度大约1mm，使N/P元件按要求连接起来形成电路；

6)将步骤5中打印好铝电极的N/P半导体元件2，上磨床将铝电极磨平，并在铝电极表面粘接一层石墨烯导热胶片，使电极能够更好地与热面陶瓷板接触，增加热传导效果；

7)将热面陶瓷板4附在铝电极上，并在热面陶瓷板4上焊上电源线5，同时在热面陶瓷板4的四周用耐高温密封胶密封，待密封胶固化以后，温差发电器件就做好了。

同时为了使发电片更好地和冷、热源接触，使用前在发电器件表面要贴敷一层石墨烯导热胶片，大大提高了热传导效果。

实施例2

1)将敷铜陶瓷板1上的导流条表面清洗干净，直至无氧化层；

2)将温度为300℃的焊锡膏采用配套的不锈钢印胶板均匀的印在覆铜陶瓷板1的导流条内，且敷设厚度为0.15mm；

3)将半导体热电材料分N/P型切割成规格为1.6x1.6x2.0mm的长方形元件，并将切割好后的长方形N/P半导体元件2摆入模具内；

4)将器件焊机升温至380℃，将步骤1中印好焊锡膏的覆铜板与步骤2中摆好N/P半导体元件2的模具对应扣好，并放到器件焊机里，升温，待温度恒定在350℃以上时，观察焊锡膏是否熔化，直至焊锡膏完全熔化，取出焊机冷却，焊锡膏冷却凝固以后，冷面制 作完成；

5)采用金属3D打印机，在冷面焊接好的N/P半导体元件2的表面先打印镍层，厚度为0.15mm，然后再镍层上面开始打印铝电极，铝电极厚度大约1.5mm，使N/P元件按要求连接起来形成电路；

6)将步骤5中打印好铝电极的N/P半导体元件2，上磨床将铝电极磨平，并在铝电极表面粘接一层石墨烯导热胶片，使电极能够更好地与热面陶瓷板接触，增加热传导效果；

7)将热面陶瓷板4附在铝电极上，并在热面陶瓷板4上焊上电源线5，同时在热面陶瓷板4的四周用耐高温密封胶密封，待密封胶固化以后，温差发电器件就做好了。

同时为了使发电片更好地和冷、热源接触，使用前在发电器件表面要贴敷一层石墨烯导热胶片，大大提高了热传导效果。

实施例3

1)将敷铜陶瓷板1上的导流条表面清洗干净，直至无氧化层；

2)将温度为300℃的焊锡膏采用配套的不锈钢印胶板均匀的印在覆铜陶瓷板1的导流条内，且敷设厚度为0.2mm；

3)将半导体热电材料分N/P型切割成规格为1.0x1.0x1.2mm的长方形元件，并将切割好后的长方形N/P半导体元件2摆入模具内；

4)将器件焊机升温至380℃，将步骤1中印好焊锡膏的覆铜板与步骤2中摆好N/P半导体元件2的模具对应扣好，并放到器件焊机里，升温，待温度恒定在350℃以上时，观察焊锡膏是否熔化，直至焊锡膏完全熔化，取出焊机冷却，焊锡膏冷却凝固以后，冷面制作完成；

5)采用金属3D打印机，在冷面焊接好的N/P半导体元件2的表面先打印镍层，厚度为0.2mm，然后再镍层上面开始打印铝电极，铝电极厚度大约2mm，使N/P元件按要求连接起来形成电路；

6)将步骤5中打印好铝电极的N/P半导体元件2，上磨床将铝电极磨平，并在铝电极表面粘接一层石墨烯导热胶片，使电极能够更好地与热面陶瓷板接触，增加热传导效果；

7)将热面陶瓷板4附在铝电极上，并在热面陶瓷板4上焊上电源线5，同时在热面陶瓷板4的四周用耐高温密封胶密封，待密封胶固化以后，温差发电器件就做好了。

为了使发电片更好地和冷、热源接触，使用前在发电器件表面要贴敷一层石墨烯导热胶片，大大提高了热传导效果。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。