效率增強的熱電裝置製造方法
2023-09-10 03:03:40 1
效率增強的熱電裝置製造方法
【專利摘要】一種效率增強的、三端子、雙結型熱電裝置，其由可獨立調整的溫度和電壓參數驅動。
【專利說明】效率增強的熱電裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及熱電轉置，並且更具體而言涉及功率增強的方案。
【背景技術】
[0002]使用熱電效應的電氣裝置已被熟知並且包括依賴於包括塞貝克效應(由在不同材料的結點的溫度差異產生的電流)、珀爾帖效應(發射和吸收由流過不同材料的結點的電流導致的熱量)和湯姆遜效應(由有溫度梯度的載流電導體發射或吸收熱量)的物理效應的裝置。涉及這些效應的係數。這些效應物理上涉及在材料中的電荷載流子與熱聲子之間的能量互換。
[0003]材料的熱電性能的實際應用的實例為使用珀爾帖效應來在兩個不同材料的結點上生成熱泵的珀爾帖冰箱。珀爾帖冰箱提供了小尺寸、靈活的形狀和沒有循環流體的益處。然而，除了用於要求此類優點的專業使用之外，目前的珀爾帖冰箱在與傳統蒸氣壓縮流體(逆蘭金循環)冰箱比較時遭受低的效率。流體冰箱通常展示50%量級的有效效率，而珀爾帖冰箱的熱電結點通常實現10 %量級的有效效率。
[0004]材料的熱電性能的其它實際應用包括加熱器、熱電發電機和電池充電器。此類裝置通常基於不同材料的構造和電流的極性的變化。例如，實質上作為熱電能量轉換器的珀爾帖冰箱可以通過反轉電流而被配置成用作加熱器。然而，一般而言，現有的熱電裝置通常展示低轉換效率。不管在幾種特定情形還是更多設想中來使用，應該顯著增強效率。
【發明內容】
[0005]根據本發明的實施例，提供了具有在兩個電區域之間插入的熱電門(thermoelectric gate)的雙結型熱電裝置。根據實施例,每個電區域連接至電氣端子並且導熱的熱端子連接至熱電門，以便使熱量能夠在端子與熱電門之間轉移。應了解的是熱電裝置為可反轉的；在熱端子與熱電門之間的熱量的轉移可以使電流在端子之間流動。由本發明提供的相對於現有熱電裝置的優點可以使用表徵用於裝置的熱電線性傳輸的特性的(矩陣)等式而分析，根據本發明的實施例為:
【權利要求】
1.一種熱電裝置，包括: 第一電氣區域，其與第一電氣端子電氣接觸； 第二電氣區域，其與第二電氣端子電氣接觸；以及 第三電氣區域，其與導熱的熱端子熱接觸，第三材料夾置在第一材料與第二材料之間， 其中熱量根據在所述第一電端子與所述第二電端子之間施加電壓時所述第一端子與所述第二端子之間的電流流動在所述熱端子與所述熱門之間轉移。
2.根據權利要求1所述的熱電裝置，還包括被配置成使所述第一電氣區域採用第一溫度並且所述第二電氣區域採用不同於所述第一溫度的第二溫度的溫度控制構造。
3.根據權利要求1所述的熱電裝置，其中熱量轉移包括在所述電流流動沿第一方向行進時從所述熱電門到所述導熱的熱端子的熱量轉移。
4.根據權利要求1所述的熱電裝置，其中熱量轉移包括在所述電流流動沿第二方向行進時從所述導熱的熱端子到所述熱電門的熱量轉移。
5.根據權利要求1所述的熱電裝置，其中熱量轉移的量與所述電流流動的量成比例。
6.根據權利要求1所述的熱電裝置，其中所述導熱的熱端子與所述第一電氣區域和所述第二電氣區域二者熱隔離。
7.根據權利要求1所述的熱電裝置，其中: 所述第一電氣區域處於第一電氣定域態；並且 所述電氣區域處於第二電氣定域態。
8.根據權利要求8所述的熱電裝置，其中所述第一電氣定域態或所述第二定域態中的至少一個或二者都被實施為量子點。
9.根據權利要求8所述的熱電裝置，其中所述第一電氣定域態或所述第二定域態中的任一個或二者都成分子狀實施。
10.根據權利要求1所述的熱電裝置，包括具有P-1-N結點的正區域、固有區域和負區域的結點， 其中: 所述熱電門為所述P-1-N結點的所述固有區域； 所述第一電氣區域和第二電氣區域為不同的區域，每一個所述區域選自由所述P-1-N結點的所述正區域和所述P-1-N結點的所述負區域構成的組。
11.根據權利要求1所述的熱電裝置，其中所述第一電氣區域材料包括摻雜有大約1018_19摻雜劑/cc的量的摻雜劑的半導體並且所述第二電氣區域包括摻雜有大約1015_16摻雜劑/cc的量的摻雜劑的半導體。
12.根據權利要求11所述的熱電裝置，其中所述摻雜劑導致P型半導體。
13.根據權利要求11所述的裝置，其中所述摻雜劑導致η型半導體。
14.根據權利要求1所述的電裝置 ，其中所述熱電門包括超晶格。
15.一種用於使用熱電裝置轉移熱量的方法，包括: 提供熱電裝置，所述熱電裝置具有: 第一電氣區域，其與第一電氣端子電氣接觸； 第二電氣區域，其與第二電氣端子電氣接觸；以及 第三電氣區域，其與導熱的熱端子熱接觸，所述第三區域夾置在所述第一區域與所述第二區域之間， 其中所述熱端子與所述熱門之間的熱量轉移根據所述第一電氣端子與所述第二電氣端子之間的電流流動； 調整通過所述第一電氣端子與所述第二電氣端子之間的電流；以及根據通過所述第一電氣端子與所述第二電氣端子之間的所述電流而在所述熱電門與所述導熱的熱端子之間轉移熱量。
16.根據權利要求15所述的方法，還包括使所述第一電氣區域採用第一溫度並且所述第二電氣區域採用不同於所述第一溫度的第二溫度。
17.根據權利要求15所述的方法，其中所述熱量的量與所述電流流動的量成比例。
18.根據權利要求15所述的方法，其中所述導熱的熱端子與所述第一電氣區域和所述第二電氣區域二者熱隔離。
19.根據權利要求15所述的方法，其中所述熱電裝置包括具有正區域、固有區域和負區域的P-1-N結點。 其中: 所述熱電門為所述P-1-N結點的所述固有區域； 所述第一電氣區域和第二電氣區域為不同的區域，每一個所述區域選自由所述P-1-N結點的所述正區域和所述P-1-N結點的所述負區域構成的組。
20.根據權利要求15所述的熱電裝置，其中所述第一電氣區域包括摻雜有大約1018_19摻雜劑/cc的量的摻雜劑的半導體；並且所述第二電氣區域包括摻雜有大約1015_16摻雜劑/cc的量的相同類型的摻雜劑的半導體。
21.一種用於使用熱電裝置進行發電的方法，包括: 提供熱電裝置，所述熱電裝置具有: 第一電氣區域，其與第一電氣端子電氣接觸； 第二電氣區域，其與第二電氣端子電氣接觸；以及 第三電氣區域，其與導熱的熱端子熱接觸，第三材料夾置在所述第一區域與所述第二區域之間， 其中所述熱端子與所述熱門之間的熱量轉移根據所述第一電氣端子與所述第二電氣端子之間的電流流動；以及 在所述熱電門與所述導熱的熱端子之間進行熱量轉移；以及 根據所述熱量轉移使電流通過所述第一端子與所述第二端子之間。
22.根據權利要求21所述的方法，還包括使所述第一電氣區域採用第一溫度並且所述第二電氣區域採用不同於所述第一溫度的第二溫度。
23.根據權利要求21所述的方法，其中所述熱量的量與所述電流流動的量成比例。
24.一種熱電裝置，包括: 第一電氣端子，其與第一電氣區域電氣接觸並且用於根據所述第一電氣端子將第一能量E1賦予給所述第一電氣區域中的電荷載流子； 第二電氣端子，其與第二電氣區域電氣接觸並且用於根據所述第二電氣端子將第二能量&賦予給所述第二電氣區域中的載流子，使得所述第二能量E2與所述第一能量E1之間的差異為能量差W ;以及導熱的熱端子，其與夾置在所述第一電氣區域與所述第二電氣區域之間的熱電門直接熱接觸，以便在所述第一電氣端子與所述第二電氣端子之間施加電壓時能夠在所述熱電門與所述導熱的熱端子之間進行熱量轉移。
25.根據權利要求24所述的熱電裝置，還包括被配置成使所述第一電氣區域採用第一溫度並且所述第二電氣區域採用不同於所述第一溫度的第二溫度的溫度控制構造。
26.根據權利要求24所述的熱電裝置，其中所述能量差W基本上大於所述熱電門的所述溫度和波爾茲曼常數k的乘積。
27.根據權利要求24所述的熱電裝置，其中所述電荷載流子中的任一個響應於獲取基本上等於所述能量差W的能量而穿過所述熱電門。
【文檔編號】H01L35/32GK103918095SQ201280054693
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2012年9月9日 優先權日:2011年9月8日
【發明者】Y·伊姆裡, O·恩廷-沃爾曼, 蔣建華 申請人:耶德研究和發展有限公司, 本古裡安大學研究及發展中心