CN103560203B - 一种简单高效的薄膜温差电池结构及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种简单高效的薄膜温差电池结构，包括有电池热端、电池冷端和绝缘绝热层，电池热端的下端面和电池冷端的上端面都设有金属电极，电池热端和电池冷端的金属电极通过镶嵌在绝缘绝热层的P型有机半导体和N型有机半导体连接形成串联结构的电路单元；结构相同的电路单元间再通过串联和并联组成薄膜温差电池。本发明中的绝缘层以及有机半导体材料均具有较好的绝热性能，而连接半导体材料的金属和半导体本身具有较好的导电性能，从而保证了薄膜温差电池的高效能量转化。

Description

一种简单高效的薄膜温差电池结构及其制作方法

技术领域

本发明主要涉及温差电池领域，尤其涉及一种简单高效的薄膜温差电池结构及其制作方法。

背景技术

温差电池，就是利用温度差异，使热能直接转化为电能的装置。温差电池的材料一般有金属和半导体两种。用金属制成的电池赛贝克效应较小，常用于测量温度、辐射强度等。用半导体制成的温差电池赛贝克效应较强，热能转化为电能的效率也较高，因此，可将多个这样的电池组成温差电堆，作为小功率电源。它的工作原理是，将两种不同类型的热电转换材料N型和P型半导体的一端结合并将其置于高温状态，另一端开路并给以低温时，由于高温端的热激发作用较强，空穴和电子浓度也比低温端高，在这种载流子浓度梯度的驱动下，空穴和电子向低温端扩散，从而在低温开路端形成电势差;如果将许多对P型和N型热电转换材料连接起来组成模块，就可得到足够高的电压,形成一个温差发电机。

当今全球常规化学能源的大量使用一直在加剧能源危机并带来气候变暖等环境问题，迫切需要积极推进使用洁净的可再生资源。温差电池作为一种适合低功率应用的清洁能源，具有无噪音，无有害物质排放，可靠性高，寿命长等一系列优点，它能长期，安全，连续地提供稳定的电能输出，同时能有效降低热排放。目前，主要是将热电材料切割成片，再焊接，形成温差电池；制作温差电池的方法中，主要有两类，一类方法是：在同一个基片上涂敷感光胶，通过两次光刻的方法在感光胶上先后形成P型和N型微区，之后先后在P型和N型微区内沉积P型和N型温差电材料。这种制作方法难度大，特别是在连接温差电单体的导电层制作工序中，需要把基片与其上已沉积好的温差电单体整个剥离；另一类方法是：P型温差电单体基片与N型温差电单体基片分开独立制作，使得在微型薄膜温差电池的制造过程中，连接P型和N型温差电单体导电层的制造在基片与温差电单体不剥离的条件下就可以进行。利用上述方法制造温差电池的工艺复杂，单体温差电池的薄膜部分也只涉及单层薄膜，温差电池的性能也受到了限制。

1911年，德国人阿持克希提出了一个令人满意的温差热电致冷和发电的理论，并提出了热电优值公式：

Z=S²σ/k （其中S是材料的塞贝克系数，σ是电导率，k是热导率）

无论用于发电还是制冷，热电材料的Z值越高越好从前面的公式可知，材料要得到高的Z值，应具有高的Seebeck系数S、高的电导率σ和低的热导率k，所以好的热电材料必须要像晶体那样导电，同时又像玻璃那样导热，但在常规材料中是有困难的。无机半导体热电材料仍然是重要的温差电材料，有机半导体在导电和热电转换性能与无机半导体非常相似，而且有机半导体材料的较好的绝热性能也是制造温差电池的一个重要优势，这也是本专利选择有机半导体的一个重要原因。

发明内容

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种简单高效的薄膜温差电池结构及其制作方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种简单高效的薄膜温差电池结构，其特征在于：包括有电池热端、电池冷端和绝缘绝热层，所述的电池热端的下端面和电池冷端的上端面都设有金属电极，电池热端和电池冷端的金属电极通过镶嵌在绝缘绝热层的P型有机半导体和N型有机半导体连接形成串联结构的电路单元；结构相同的电路单元间再通过串联和并联组成薄膜温差电池。

一种简单高效的薄膜温差电池的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）先制作电池热端的下端面或电池冷端的上端面的金属电极

先在电池热端或电池冷端的导热基底上制备图案化金属膜作为电池热端或电池冷端的电极，然后在所述电极上旋涂一层绝缘绝热层，如聚(4-乙烯基苯酚)；用有机溶剂，如丙二醇单甲醚乙酸酯，将所述电极两侧上方的聚(4-乙烯基苯酚)完全溶解形成穿透聚(4-乙烯基苯酚)绝缘绝热层的通孔；

（2）在通孔位置分别打印P型有机半导体、N型有机半导体

用喷墨打印的方法在已制备的电极上方的通孔中打印P型有机半导体和N型有机半导体；

（3）制作电池另一端的金属电极

制备另一端的金属电极，把打印在通孔中的P型有机半导体和N型有机半导体分别与两侧相邻的电路单元的N型有机半导体和P型有机半导体交替相连；

（4）制作电池另一端的绝缘导热层；

（5）由于所述电路单元构成的单个电池源产生的电动势非常有限，所以采用相同的步骤同时制作了所述电路单元的多个重复结构，然后串联成分电池组；再通过引线接线将各分电池组串联或并联起来，形成总的电池模块；

（6）完成电池封装。

本发明的原理是：

P型和N型有机半导体作为高效的热电转换材料把绝热层两侧的温度差转换为电能，通过快速高效的电学回路储存起来或者用于驱动其他用电装置。

本发明中的绝缘层以及有机半导体材料均具有较好的绝热性能，而连接半导体材料的金属和半导体本身具有较好的导电性能，从而保证了薄膜温差电池的高效能量转化。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、由于喷墨打印可以在微米级范围内形成图案化，所以与常规温差电池的结构相比：使用喷墨打印可以在相同尺寸条件下实现更高效的能量转换。

2、喷墨打印技术可大规模，精确地制作薄膜阵列，大幅简化了工艺流程，而且节约原材料。

3、所使用的是薄膜材料，较其它材料相比体积更小，重量更轻，且薄膜热电材料的特性也较好。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为各个分电池组的截面图。

图3为串联温差电池组最终结构立体图。

标记说明：

1．电池热端 2．金属电极 3．N型有机半导体 4．P型有机半导体 5．电池冷端6.引线。

具体实施方式

如图1、2、3所示，一种简单高效的薄膜温差电池结构，包括有电池热端1、电池冷端5和绝缘绝热层，所述的电池热端1的下端面和电池冷端5的上端面都设有金属电极2，电池热端1和电池冷端5的金属电极通过镶嵌在绝缘绝热层的P型有机半导体4和N型有机半导体3连接形成串联结构的电路单元；结构相同的电路单元间再通过串联和并联组成薄膜温差电池。

一种简单高效的薄膜温差电池的制作方法，包括以下步骤：

（1）先制作电池热端的下端面或电池冷端的上端面的金属电极

先在电池热端或电池冷端的导热基底上制备图案化金属膜作为电池热端或电池冷端的电极，然后在所述电极上旋涂一层绝缘绝热层，如聚(4-乙烯基苯酚)；用有机溶剂，如丙二醇单甲醚乙酸酯，将所述电极两侧上方的聚(4-乙烯基苯酚)完全溶解形成穿透聚(4-乙烯基苯酚)绝缘绝热层的通孔；

（2）在通孔位置分别打印P型有机半导体、N型有机半导体

用喷墨打印的方法在已制备的电极上方的通孔中打印P型有机半导体和N型有机半导体；

（3）制作电池另一端的金属电极

制备另一端的金属电极，把打印在通孔中的P型有机半导体和N型有机半导体分别与两侧相邻的电路单元的N型有机半导体和P型有机半导体交替相连；

（4）制作电池另一端的绝缘导热层；

（5）由于所述电路单元构成的单个电池源产生的电动势非常有限，所以采用相同的步骤同时制作了所述电路单元的多个重复结构，然后串联成分电池组；再通过引线6接线将各分电池组串联或并联起来，形成总的电池模块；

（6）完成电池封装。

电池串联的方法可以很好地提升电池的自身电动势，但是串联电池组电池内阻会过大，且如果其中一个电池出问题，整个电池组很可能就会停止工作，为了避免以上这两种情况，还可以通过图3中的引线6将电池组连接成并联的结构。但是并联电池应该注意：不能让各并联电池内阻差距过大，否则可能会造成它们之间的电流内循环。

Claims (1)

1.一种简单高效的薄膜温差电池的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）先制作电池热端的下端面或电池冷端的上端面的金属电极 先在电池热端或电池冷端的绝缘导热基底上制备图案化金属膜作为电池热端或电池冷端的电极，然后在所述电极上旋涂一层绝缘绝热层聚(4-乙烯基苯酚)；用有机溶剂丙二醇单甲醚乙酸酯，将所述电极两侧上方的聚(4-乙烯基苯酚)完全溶解形成穿透聚(4-乙烯基苯酚)绝缘绝热层的通孔；

（2）在通孔位置分别打印P型有机半导体、N型有机半导体 用喷墨打印的方法在已制备的电极上方的通孔中打印P型有机半导体和N型有机半导体；

（3）制作电池另一端的金属电极 制备另一端的金属电极，把打印在通孔中的P型有机半导体和N型有机半导体分别与两侧相邻的电路单元的N型有机半导体和P型有机半导体交替相连；

（4）制作电池另一端的绝缘导热层；

（5）由于所述电路单元构成的单个电池源产生的电动势非常有限，所以采用相同的步骤同时制作了所述电路单元的多个重复结构，然后串联成分电池组；再通过引线接线将各分电池组串联或并联起来，形成总的电池模块；

（6）完成电池封装。