CN204614820U - 柔性薄膜温差发电装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种柔性薄膜温差发电装置，包括至少两个柔性薄膜温差电池组，所述柔性薄膜温差电池组由至少两个柔性薄膜温差电池单元采用串联的方式叠加组成，所述柔性薄膜温差电池单元包括两个相对设置的第一柔性绝缘基底和第二柔性绝缘基底，所述第一柔性绝缘基底的一端面设有P型热电薄膜，所述P型热电薄膜的两端分设有第一导电层和第二导电层，所述第二柔性绝缘基底的一端面设有N型热电薄膜，所述N型热电薄膜的两端分设有第三导电层和第四导电层。本实用新型的有益效果：所制备的柔性薄膜温差发电装置具有体积小、重量轻、性能高等优势，采用卷绕式大面积的柔性热电薄膜生产方式，大幅度降低了薄膜温差电池的制造成本。

Description

柔性薄膜温差发电装置

技术领域

本实用新型涉及到温差电池技术领域，尤其涉及一种柔性薄膜温差发电装置。

背景技术

伴随着21世纪的全球性的环境恶化和能源危机正威胁着人类的长期稳定发展，各国对绿色能源技术的研究与利用投入前所未有的力量。温差发电是适用范围很广的绿色环保型技术，其利用热电材料的热电效应将热能和电能直接相互耦合、相互转换，实现发电，具有无噪声、无有害物质排放、可靠性高、寿命长等一系列优点，其在余热废热发电和移动分散式热源利用等方面有难以取代的作用。但是基于热电材料本身的特性，制造成本高，转换效率低，限制了温差电池的大规模使用。

近年来，逐渐形成了两个大的研究方向：一是开发新型块体材料，二是对低维材料的研究。由于块体热电材料本身的特性，其制造成本高，限制了温差电池的大规模使用。相比于块体热电材料，降低维数的薄膜热电材料及其器件降低了材料热导率,具有更高的热电转换效率，而且更易实现微型化热电器件和大面积生产，具有块体材料所不能比拟的优势。因此，对于薄膜温差电池的研究成为了温差器件领域的重要研究方向之一。目前，薄膜热电器件主流为两种基本制备结构，根据薄膜自身的低热导率和选择热传导方向来提高器件的性能。当热传导方向是平行于基片(薄膜)表面时，可以大幅度降低器件的热导率，提高器件的热学性能，但是同时也提高了薄膜电阻，且连接、切割等制备技术都存在较大的困难，限制了其应用；当热传导方向是垂直于基片(薄膜)表面时，则可以减少电阻，制备方式简单，因此大部分热电产品都是基于此结构制备的。但是此结构带来的问题是无法消除的大量热辐射，由于热电薄膜垂直方向只有500nm～100μm的高度差，P型和N型热电薄膜虽然具有较小的热导率，但是冷端与热端非常接近，热端的热辐射热量已经接近了由热电薄膜本身传导的热量，无法保持冷端与热端的温度差，因此虽然热电薄膜具有较高的优值和转换效率，但是较小的温度差使在实际应用中的温差电池的输出功率仍较小，这是为何薄膜温差电池性能优越，但实际应用却与理想输出存在偏差的重要原因。此外，这种结构的热电薄膜器件仍受传统的块体材料温差电池制造技术和封装技术的限制。不管是何种结构的薄膜温差电池，与一些特殊器件符合过程中存在较大的难题：薄膜温差电池制作工艺复杂，制造成本高，器件使用灵活性不够，单体化功率输出太小等等，阻碍着薄膜温差电池向大规模生产应用的发展。

因此，上述的应用难题仍需进一步得到解决，现有技术还有待于进一步改进和发展。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术中的上述缺陷，提供一种柔性薄膜温差发电装置。

本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：

提供一种柔性薄膜温差发电装置，包括至少两个柔性薄膜温差电池组，所述柔性薄膜温差电池组由至少两个柔性薄膜温差电池单元采用串联的方式叠加组成，所述柔性薄膜温差电池单元包括两个相对设置的第一柔性绝缘基底和第二柔性绝缘基底，所述第一柔性绝缘基底的一端面设有P型热电薄膜，所述P型热电薄膜的两端分设有第一导电层和第二导电层，所述第二柔性绝缘基底的一端面设有N型热电薄膜，所述N型热电薄膜的两端分设有第三导电层和第四导电层，所述第二柔性绝缘基底未设有所述N型热电薄膜的另一端面与所述P型热电薄膜相连，所述第一导电层与所述第三导电层通过第一连接层电连接，所述第二导电层和所述第四导电层分别为所述柔性薄膜温差电池单元的电极。

在本实用新型所述的柔性薄膜温差发电装置中，相邻两所述柔性薄膜温差电池中的一个所述柔性薄膜温差电池的第二导电层或第四导电层与另一个所述柔性薄膜温差电池的第四导电层或第二导电层通过第二连接层相连并电连接，以形成所述柔性薄膜温差电池组。

在本实用新型所述的柔性薄膜温差发电装置中，位于所述柔性薄膜温差电池组一端的所述柔性薄膜温差电池单元的第二导电层或第四导电层为所述柔性薄膜温差电池组的第一引出电极，位于所述柔性薄膜温差电池组另一端的所述柔性薄膜温差电池单元的第四导电层或第二导电层为所述柔性薄膜温差电池组的第二引出电极。

在本实用新型所述的柔性薄膜温差发电装置中，至少两个所述柔性薄膜温差电池组采用串联或并联的方式相连。

在本实用新型所述的柔性薄膜温差发电装置中，每一所述柔性薄膜温差电池组的第一引出电极分别与第一导线接，每一所述柔性薄膜温差电池组的第二引出电极分别与第二导线电连接，所述第一导线和所述第二导线分别为所述柔性薄膜温差发电装置的输出端。

在本实用新型所述的柔性薄膜温差发电装置中，所述P型热电薄膜的厚度为1nm～5μm。

在本实用新型所述的柔性薄膜温差发电装置中，所述N型热电薄膜的厚度为1nm～5μm。

在本实用新型所述的柔性薄膜温差发电装置中，所述第一导电层、第二导电层、第三导电层和第四导电层的厚度为1nm～10μm。

在本实用新型所述的柔性薄膜温差发电装置中，所述第一柔性绝缘基底和所述第二柔性绝缘基底的厚度为0.01mm～1mm。

在本实用新型所述的柔性薄膜温差发电装置中，所述第二柔性绝缘基底未设有所述N型热电薄膜的另一端面与所述P型热电薄膜粘合连接。

实施本实用新型的柔性薄膜温差发电装置，具有以下有益效果：所制备的柔性薄膜温差发电装置具有体积小、重量轻、性能高等优势，采用卷绕式大面积的柔性热电薄膜生产方式，根据需求对大面积的柔性热电薄膜进行切割组合，集成不同规格的柔性薄膜温差电池，大幅度降低了薄膜温差电池的制造成本，且其制备方法简单，不受焊接等技术限制，柔性薄膜温差发电装置应用更加灵活，符合工业化生产的需求。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：

图1是本实用新型提供的柔性薄膜温差发电装置的柔性薄膜温差电池单元的结构示意图；

图2是本实用新型提供的柔性薄膜温差发电装置的柔性薄膜温差电池单元的结构示意图；

图3是本实用新型提供的柔性薄膜温差发电装置的正视图；

图4是本实用新型提供的柔性薄膜温差发电装置的右视图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

图1-图4示出了本实用新型较佳实施之一提供的一种柔性薄膜温差发电装置。如图4所示，所述柔性薄膜温差电池发电装置包括至少两个柔性薄膜温差电池组100，结合图2所示，柔性薄膜温差电池组100由至少两个柔性薄膜温差电池单元10采用串联的方式叠加组成。

结合图1所示，柔性薄膜温差电池单元10包括两个相对设置的第一柔性绝缘基底1和第二柔性绝缘基底3，第一柔性绝缘基底1的一端面设有P型热电薄膜2，P型热电薄膜2的两端分设有第一导电层5和第二导电层6，第二柔性绝缘基底3的一端面设有N型热电薄膜4，N型热电薄膜4的两端分设有第三导电层7和第四导电层8，第二柔性绝缘基底3未设有N型热电薄膜4的另一端面与P型热电薄膜2相连，第一导电层5与第三导电层7通过第一连接层9电连接，第二导电层6和第四导电层8分别为柔性薄膜温差电池单元10的电极。

由于本申请的柔性薄膜温差电池发电装置由多个柔性薄膜温差电池单元10组成，因此可以根据输出功率的要求选择不同数量的柔性薄膜温差电池单元10，并且柔性薄膜温差电池单元10之间的连接方法简单，符合工业化生产的需求。

如图1所示，柔性薄膜温差电池单元10包括第一基底1、P型热电薄膜2、第二柔性绝缘基底3、N型热电薄膜4、第一导电层5、第二导电层6、第三导电层7、第四导电层8和第一连接层9。

其中，第一柔性绝缘基底1由聚酰亚胺等柔性材料制成，其厚度为0.01mm～1mm，由于第一柔性绝缘基底1的塑性极好，可弯曲超过90°，这使得最终可制备出不同厚度、不同面积及不同形状以满足不同需求的柔性薄膜温差电池单元10。

P型热电薄膜2可以通过溅射技术镀制在第一柔性绝缘基底1的一端面上，用于制备P型热电薄膜2所选用的热电材料类型为P型的Sb₂Te₃半导体化合物或者是Zn-Sb基热电材料。采用P型的Sb₂Te₃半导体化合物所制备的P型热电薄膜2在低温环境下性能表现优异，而采用Zn-Sb基热电材料制备的P型热电薄膜2在中温(大致150-400℃)环境下性能表现优异，因此在生产过程中，可根据柔性薄膜温差电池单元10所处的实际温度对热电材料进行选择。本实用新型专利的P型热电材料不仅限于以上举例的P型热电材料，其他P型热电材料应为本实用新型专利的保护范围。

本实施例中，P型热电薄膜2采用单质靶磁控共溅射技术镀制在第一柔性绝缘基底1上，且P型热电薄膜2的厚度为1nm～5μm。

第一导电层5和第二导电层6分别镀制在P型热电薄膜2的两端，并位于P型热电薄膜2背离第一柔性绝缘基底1的一端面上。第一导电层5和第二导电层6分别为金属导电薄膜，且第一导电层5和第二导电层6的厚度为1nm～10μm。

第二柔性绝缘基底3同样由聚酰亚胺等柔性材料制成，其厚度为0.01mm～1mm，由于第二柔性绝缘基底3的塑性极好，可弯曲超过90°，这使得最终可制备出不同厚度、不同面积及不同形状以满足不同需求的柔性薄膜温差电池单元10。

N型热电薄膜4同样可以通过溅射技术镀制在第二柔性绝缘基底3的一端面上，用于制备N型热电薄膜4所选用的热电材料类型N型的Bi₂Te₃半导体化合物或者是Zn-Al基热电材料。采用N型的Bi₂Te₃半导体化合物所制备的N型热电薄4在低温环境下性能表现优异，而采用Zn-Al基热电材料制备的N型热电薄膜4在中温(大致150-400℃)环境下性能表现优异，因此在生产过程中，可根据柔性薄膜温差电池单元10所处的实际温度对热电材料进行选择。本实用新型专利的N型热电材料不仅限于以上举例的N型热电材料，其他N型热电材料应为本实用新型专利的保护范围。

本实施例中，N型热电薄膜4采用单质靶磁控共溅射技术镀制在第二柔性绝缘基底3上，且N型热电薄膜4的厚度为1nm～5μm。

进一步的，第二柔性绝缘基底3未设有N型热电薄膜4的另一端面通过粘合连接叠加在P型热电薄膜2上。

第三导电层7和第四导电层8分别镀制在N型热电薄膜4的两端，并位于N型热电薄膜4背离第二柔性绝缘基底3的一端面上。第三导电层7和第四导电层8分别为金属导电薄膜，且第三导电层7和第四导电层8的厚度为1nm～10μm。

第一连接层9连接在第一导电层5和第三导电层7上，以实现P型热电薄膜2和N型热电薄膜4之间的电连接，而第二导电层6和第四导电层8则分别为柔性薄膜温差电池单元10的正电极和负电极(或负电极和正电极)。

具体的，第一连接层9可以为金属膜层或金属箔膜层，第一导电层5和第三导电层7作为柔性薄膜温差电池单元10PN结连接的电极层，通过镀制金属膜层或者添加金属箔膜层进行连接，形成柔性薄膜温差电池单元10PN结连接层。其中，第一连接层9的厚度为10nm～10μm。

如图2所示，柔性薄膜温差电池组100由至少两个柔性薄膜温差电池单元10采用串联的方式叠加组成，且相邻两柔性薄膜温差电池单元10之间通过第二连接层13相连并电连接。其中，第二连接层13可以为金属膜层或金属箔膜层。

具体的，相邻两柔性薄膜温差电池单元10中的一个柔性薄膜温差电池单元10的第二导电层6(或第四导电层8)与另一个柔性薄膜温差电池单元10的或第四导电层8(第二导电层6)通过第二连接层13相连，如此依次叠加，边形成由m(m大于等于2)个柔性薄膜温差电池单元10串联形成的柔性薄膜温差电池组100。

进一步的，位于柔性薄膜温差电池组100一端的柔性薄膜温差电池单元10的第二导电层6(或第四导电层8)为柔性薄膜温差电池组100的第一引出电极11，位于柔性薄膜温差电池组100另一端的柔性薄膜温差电池单元10的第四导电层8(或第二导电层6)为柔性薄膜温差电池组100的第二引出电极12，可以在第一引出电极11和第二引出电极12上采用导电银浆涂覆的连接方式引出电子线14作为柔性薄膜温差电池组100的输出端。因此可以根据输出功率的要求选择不同数量的柔性薄膜温差电池单元10，并且柔性薄膜温差电池单元10之间的连接简单，符合工业化生产的需求。

如图3和图4所示，本实施例中，柔性薄膜温差发电装置由至少两个柔性薄膜温差电池组100并联组成，且该柔性薄膜温差发电装置的输出端分别为第一导线110和第二导线120。具体的，每一柔性薄膜温差电池组100的第一引出电极11上的电子线14均直接电连接至第一导线110，每一柔性薄膜温差电池组100的第二引出电极12上的电子线14均直接电连接至第二导线120上，以实现一个有n×m个柔性薄膜温差电池单元10串并联组成的柔性薄膜温差发电装置。本实施例中，n＝5、m＝4为例，完成一个5×4的柔性薄膜温差发电装置。

可以理解的是，在其它实施例中，至少两个柔性薄膜温差电池组100还可以采用串联的方式通过第二连接层13叠加相连，其连接方式与柔性薄膜温差电池单元10的叠加方式相同，故不再赘述。

热电现象本身是可逆的，半导体温差发电和半导体致冷是热电现象的两个方面，并且互相可逆，对于同一个PN结，若施加温差则可用来发电,若对其通电，则可用于在一端致冷，结合图3所示，柔性薄膜温差发电装置的两端分别连接有热面板15和冷面板16。因此，本实施例的柔性薄膜温差发电装置的主体结构，同时也就是柔性薄膜温差电致冷器的主体结构。

本申请的柔性薄膜温差发电装置，可根据输出功率要求来组装单体柔性薄膜温差电池，通过设计固定连接，能制作出一定厚度、一定面积、一定输出功率等不同规模的柔性薄膜温差发电装置。所制备的柔性薄膜温差发电装置具有体积小、重量轻、性能高等优势，采用卷绕式大面积的柔性热电薄膜生产方式，根据需求对大面积的柔性热电薄膜进行切割组合，集成不同规格的柔性薄膜温差电池，大幅度降低了薄膜温差电池的制造成本，且其制备方法简单，不受焊接等技术限制，柔性薄膜温差发电装置应用更加灵活，符合工业化生产的需求。

虽然本实用新型是通过具体实施例进行说明的，本领域技术人员应当明白，在不脱离本实用新型范围的情况下，还可以对本实用新型进行各种变换及等同替代。另外，针对特定情形或材料，可以对本实用新型做各种修改，而不脱离本实用新型的范围。因此，本实用新型不局限于所公开的具体实施例，而应当包括落入本实用新型权利要求范围内的全部实施方式。

Claims (10)

1.一种柔性薄膜温差发电装置，其特征在于，包括至少两个柔性薄膜温差电池组(100)，所述柔性薄膜温差电池组(100)由至少两个柔性薄膜温差电池单元(10)采用串联的方式叠加组成，所述柔性薄膜温差电池单元(10)包括两个相对设置的第一柔性绝缘基底(1)和第二柔性绝缘基底(3)，所述第一柔性绝缘基底(1)的一端面设有P型热电薄膜(2)，所述P型热电薄膜(2)的两端分设有第一导电层(5)和第二导电层(6)，所述第二柔性绝缘基底(3)的一端面设有N型热电薄膜(4)，所述N型热电薄膜(4)的两端分设有第三导电层(7)和第四导电层(8)，所述第二柔性绝缘基底(3)未设有所述N型热电薄膜(4)的另一端面与所述P型热电薄膜(2)相连，所述第一导电层(5)与所述第三导电层(7)通过第一连接层(9)电连接，所述第二导电层(6)和所述第四导电层(8)分别为所述柔性薄膜温差电池单元(10)的电极。

2.根据权利要求1所述的柔性薄膜温差发电装置，其特征在于，相邻两所述柔性薄膜温差电池(10)中的一个所述柔性薄膜温差电池(10)的第二导电层(6)或第四导电层(8)与另一个所述柔性薄膜温差电池(10)的第四导电层(8)或第二导电层(6)通过第二连接层(13)相连并电连接，以形成所述柔性薄膜温差电池组(100)。

3.根据权利要求2所述的柔性薄膜温差发电装置，其特征在于，位于所述柔性薄膜温差电池组(100)一端的所述柔性薄膜温差电池单元(10)的第二导电层(6)或第四导电层(8)为所述柔性薄膜温差电池组(100)的第一引出电极(11)，位于所述柔性薄膜温差电池组(100)另一端的所述柔性薄膜温差电池单元(10)的第四导电层(8)或第二导电层(6)为所述柔性薄膜温差电池组(100)的第二引出电极(12)。

4.根据权利要求3所述的柔性薄膜温差发电装置，其特征在于，至少两个所述柔性薄膜温差电池组(100)采用串联或并联的方式相连。

5.根据权利要求3所述的柔性薄膜温差发电装置，其特征在于，每一所 述柔性薄膜温差电池组(100)的第一引出电极(11)分别与第一导线(110)电连接，每一所述柔性薄膜温差电池组(100)的第二引出电极(12)分别与第二导线(120)电连接，所述第一导线(110)和所述第二导线(120)分别为所述柔性薄膜温差发电装置的输出端。

6.根据权利要求1所述的柔性薄膜温差发电装置，其特征在于，所述P型热电薄膜(2)的厚度为1nm～5μm。

7.根据权利要求1所述的柔性薄膜温差发电装置，其特征在于，所述N型热电薄膜(4)的厚度为1nm～5μm。

8.根据权利要求1所述的柔性薄膜温差发电装置，其特征在于，所述第一导电层(5)、第二导电层(6)、第三导电层(7)和第四导电层(8)的厚度为1nm～10μm。

9.根据权利要求1所述的柔性薄膜温差发电装置，其特征在于，所述第一柔性绝缘基底(1)和所述第二柔性绝缘基底(3)的厚度为0.01mm～1mm。

10.根据权利要求1所述的柔性薄膜温差发电装置，其特征在于，所述第二柔性绝缘基底(3)未设有所述N型热电薄膜(4)的另一端面与所述P型热电薄膜(2)粘合连接。