热电装置、用于热电装置的热电单元及其制造方法

本发明涉及一种用于热电装置的热电单元，一种用于制造热电装置的热电单元的方法以及一种热电装置。

背景技术：

1、热电装置一般可以用于将热量转换为电能。热电发电机是热电装置的一个示例，其一般包括多个紧凑的固体p型热电脚和n型热电脚并用于将废热转化为电能。

2、热电发电机的功率转换效率(ηmax)受到温差(δt)和热电材料的优值(figure ofmerit)(zt)的影响，如下等式所示：

3、

4、根据上述等式，提高功率转换效率的其中一种方法是提高优值。事实上，现有的研究主要通过利用缺陷和掺杂剂来改变材料以提高热电材料的性能，从而获得更高的优值。然而，问题是，材料性能的提高不足以克服阻碍热电发电机广泛使用的一些限制。这些限制包括，例如，紧凑的固体p型热电脚和n型热电脚中的热滞(例如，这使得难以为所施加的热维持热梯度)，以及热电材料/脚的固有脆性(brittleness)(例如，这使得热电装置的组装和/或操纵困难，或导致失效)。

5、热电脚的热电特性和机械韧性之间通常存在冲突。具体地，具有相对高的热电性能和材料稳定性的热电脚可能相当脆而具有高延展性的热电脚可能具有相对较低的优值。

6、需要提供一种热电装置(不限于热电发电机)和/或用于其的热电单元(脚)，其对于一种或多种应用具有优化的热电特性和机械韧性。

技术实现思路

1、在第一方面，提供了一种用于热电装置的热电单元。热电单元包括结构化(architected)框架和布置在该结构化框架(特别是沉积或涂覆在该结构化框架)的至少一部分上的热电材料布置。热电单元可以称为热电脚。

2、任选地，结构化框架具有网格(lattice)结构。例如，网格结构可以是微网格(microlattice)结构、纳米(nanolattice)网格结构等。

3、任选地，网格结构包括基于支杆(strut)的网格结构，其具有多个互连的支杆。在一些示例中，一个或多个或所有支杆可以是空心的。在一些示例中，一个或多个或所有支杆可以是实心的。

4、任选地，网格结构限定多个单元格(unit cell)。该多个单元格可以布置为至少两层，其中每层包括多个单元格。

5、任选地，网格结构具有以下其中一种拓扑：面心立方体、八面体桁架、体心立方体、十四面体或立方八面体。在一些示例中，其他拓扑也是可能的。

6、任选地，结构化框架是增材制造的。例如，结构化框架可以使用以下任何技术来增材制造：数字光处理(dlp)、立体光刻(sla)、面投影微立体光刻技术(pusl)或直接墨水书写(diw)。

7、任选地，结构化框架进一步被部分碳化(例如，在增材制造之后)。

8、任选地，结构化框架是部分碳化的增材制造的聚合物框架。聚合物框架由一种或多种聚合物材料制成。

9、任选地，结构化框架至少部分地由一种或多种可光聚合材料(例如树脂、墨水等)制成。

10、任选地，结构化框架至少部分地由一种或多种聚合物材料制成。任选地，该一种或多种聚合物材料包括以下一种或多种：聚乙二醇二丙烯酸酯(pegda)、双酚a乙氧基化物二丙烯酸酯、季戊四醇三丙烯酸酯、聚氨酯二甲基丙烯酸酯、三甘醇二甲基丙烯酸酯、1,6-己二醇二丙烯酸酯、双酚a-甲基丙烯酸缩水甘油酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、丙烯酸酯化环氧化大豆油、三羟甲基丙烷三(3-巯基丙酸酯)、季戊四醇四(3-巯基丙酸酯)、三[2-(3-巯基丙酰氧基)乙基]异氰脲酸酯、季戊四醇四(3-巯基丙酸酯)、三烯丙基-1,3,5-三嗪-2,4,6(1h,3h,5h)-三酮、氧基双(乙烷-2,1-二基))双(氧基))双(乙烷-2,1-二基))双(2-(甲苯磺酰甲基)丙烯酸酯，2-(甲苯磺酰甲基)丙烯酸乙酯、su-8光刻负胶、3,4-环氧环己基甲基3,4-环氧环己基甲酸酯、双酚a二缩水甘油醚和1,4-环己烷二甲醇二乙烯基醚。

11、任选地，热电材料布置沉积或涂覆在大体整个结构化框架上。

12、任选地，热电材料布置由一种或多种p型热电材料制成。该一种或多种p型热电材料可以包括例如sb2te3、snte或pbte。任选地，热电材料布置由单一种p型热电材料制成。该单一种p型热电材料可以仅包括例如sb2te3、snte或pbte。

13、任选地，热电材料布置由一种或多种n型热电材料制成。该一种或多种n型热电材料可以包括例如bi2te3、snse或pbse。任选地，热电材料布置由单一种n型热电材料制成。该单一种n型热电材料可以仅包括例如bi2te3、snse或pbse。

14、任选地，热电材料布置包括热电材料涂层，其由一种或多种热电材料制成并且涂覆在结构化框架的至少一部分上。热电材料涂层可以是薄膜涂层的形式。

15、任选地，热电材料涂层具有微米量级的厚度或平均厚度。在一个示例中，热电材料涂层具有约1μm的厚度或平均厚度。

16、任选地，热电单元被构造成限定多个边界面，该多个边界面布置为形成棱柱体、圆柱体或其他三维(3d)形状。圆柱体可以是正圆柱体。圆柱体可以是圆形柱体、椭圆形柱体、抛物线圆柱体(parabolic cylinder)、双曲线圆柱体(hyperbolic cylinder)、环形柱体等。棱柱体可以是正棱柱体。棱柱体可以是三棱柱体、矩形柱体、立方体、多边形棱柱体等。

17、在第二方面，提供了一种热电装置，其包括至少一个(且优选地多于一个)第一方面的热电单元。热电装置可以包括多个热电单元，其中至少一个(例如，一些或全部)是第一方面的热电单元。

18、在第三方面，提供了一种热电装置，其包括多个热电单元。该多个热电单元包括：一个或多个第一方面的热电单元，其热电材料布置是p型热电材料布置；以及一个或多个第一方面的热电单元，其热电材料布置是n型热电材料布置。因此，该多个热电单元包括一个或多个p型热电单元以及一个或多个n型热电单元。

19、该多个热电单元可以电连接(例如串联连接)。该多个热电单元可以布置为热并联(thermally in parallel)。

20、任选地，每个p型热电单元和每个n型热电单元具有大体相同的形状和/或大体相同的尺寸。

21、任选地，每个p型热电单元被构造为限定多个边界面，该多个边界面布置为形成具有第一尺寸的第一形状；而每个n型热电单元被构造为限定多个边界面，该多个边界面布置为形成具有第二尺寸的第二形状。任选地，第一形状和第二形状大体相同。任选地，第一尺寸和第二尺寸大体相同。

22、任选地，每个p型热电单元被构造为限定多个边界面，该多个边界面布置为形成大体矩形棱柱。任选地，每个n型热电单元被构造为限定多个边界面，该多个边界面布置为形成大体矩形棱柱。

23、任选地，每个p型热电单元被构造为限定多个边界面，该多个边界面布置为形成大体环形圆柱体。任选地，每个n型热电单元被构造为限定多个边界面，该多个边界面布置为形成大体环形圆柱体。

24、任选地，该多个热电单元包括多个p型热电单元和多个n型热电单元，并且该多个p型热电单元和多个n型热电单元以交替或交错的方式布置。

25、任选地，该多个热电单元布置为阵列。例如，该阵列具有两行或更多行和两列或更多列。

26、任选地，热电装置还包括串联电连接多个热电单元的电导体布置。电导体布置可以包括一个或多个电导体，其由一种或多种金属材料(例如铝、镍等)制成。

27、任选地，热电装置还包括第一电绝缘体和第二电绝缘体。

28、任选地，电导体布置布置在第一电绝缘体和/或第二电绝缘体上。

29、任选地，该多个热电单元设置在第一电绝缘体和第二电绝缘体之间。

30、任选地，第一电绝缘体包括第一绝缘板。任选地，第二电绝缘体包括第二绝缘板。第一绝缘板可以是大体平坦的。第二绝缘板可以是大体平坦的。

31、任选地，第一电绝缘体由一种或多种陶瓷材料(例如氧化铝)制成。任选地，第二电绝缘体由一种或多种陶瓷材料(例如氧化铝)制成。

32、任选地，该热电装置是热电发电机。

33、在第四方面，提供了一种装置，其具有可操作以产生热量的热源以及第三方面的热电装置。热电装置与热源可操作地连接(例如，热耦合)以促进热管理(例如，耗散)。例如，该装置可以是电子装置。该电子装置可以是可穿戴的、便携式的、手持式的等。

34、在第五方面，提供了一种用于制造用于热电装置的热电单元的方法。该方法包括形成结构化框架；以及在结构化框架的至少一部分上布置(特别是沉积或涂覆)热电材料布置。

35、任选地，形成结构化框架包括：增材制造框架，以形成增材制造的框架或结构化框架。

36、任选地，结构化框架是使用以下任何技术来增材制造的：数字光处理(dlp)、立体光刻(sla)、面投影微立体光刻技术(pusl)和直接墨水书写(diw)。任选地，结构化框架由一种或多种可聚合材料(例如，一种或多种可光聚合材料)增材制造。任选地，(所得的)结构化框架由一种或多种聚合物材料制成。任选地，该一种或多种聚合物材料包括以下一种或多种：聚乙二醇二丙烯酸酯(pegda)、双酚a乙氧基化物二丙烯酸酯、季戊四醇三丙烯酸酯、聚氨酯二甲基丙烯酸酯、三甘醇二甲基丙烯酸酯、1,6-己二醇二丙烯酸酯、双酚a-甲基丙烯酸缩水甘油酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、丙烯酸酯化环氧化大豆油、三羟甲基丙烷三(3-巯基丙酸酯)、季戊四醇四(3-巯基丙酸酯)、三[2-(3-巯基丙酰氧基)乙基]异氰脲酸酯、季戊四醇四(3-巯基丙酸酯)、三烯丙基-1,3,5-三嗪-2,4,6(1h,3h,5h)-三酮、氧基双(乙烷-2,1-二基))双(氧基))双(乙烷-2,1-二基))双(2-(甲苯磺酰甲基)丙烯酸酯，2-(甲苯磺酰甲基)丙烯酸乙酯、su-8光刻负胶、3,4-环氧环己基甲基3,4-环氧环己基甲酸酯、双酚a二缩水甘油醚、1,4-环己烷二甲醇二乙烯基醚等。

37、任选地，形成结构化框架还包括：部分碳化该增材制造的框架，以形成结构化框架。该部分碳化导致在增材制造的框架内/上形成热解碳(pyrolytic carbon)。

38、任选地，该部分碳化通过热退火或热解进行。

39、任选地，形成结构化框架还包括：对增材制造的框架进行热退火以使其部分碳化。该热退火可以在低于(例如，接近)增材制造的框架的分解温度进行。在一个示例中，该热退火在第一温度执行第一持续时间，然后在第二温度执行第二持续时间。第一温度可以低于第二温度。第一持续时间可以比第二持续时间短。

40、任选地，形成结构化框架还包括：对增材制造的框架进行热解，以使其部分碳化。

41、任选地，在结构化框架的至少一部分上沉积或涂覆热电材料布置包括：在大体整个结构化框架上沉积或涂覆热电材料布置。

42、任选地，热电材料布置的沉积或涂覆是利用沉积技术(例如物理气相沉积技术、化学气相沉积技术等)进行的。

43、任选地，热电材料布置的沉积或涂覆是利用薄膜沉积技术(例如物理气相沉积技术或化学气相沉积技术)进行的。

44、任选地，热电材料布置的沉积或涂覆是利用物理气相沉积技术(例如热蒸发、溅射、脉冲激光沉积等)进行的。

45、任选地，热电材料布置的沉积或涂覆是利用热蒸发进行的。热蒸发可以在室温和/或低于大气压下进行。

46、任选地，热电材料布置由一种或多种p型热电材料制成。该一种或多种p型热电材料可以包括例如sb2te3、snte或pbte。任选地，热电材料布置由单一种p型热电材料制成。该单一种p型热电材料可以仅包括例如sb2te3、snte或pbte。

47、任选地，热电材料布置由一种或多种n型热电材料制成。该一种或多种n型热电材料可以包括例如bi2te3、snse或pbse。任选地，热电材料布置由单一种n型热电材料制成。该单一种n型热电材料可以仅包括例如bi2te3、snse或pbse。

48、任选地，在结构化框架的至少一部分上沉积或涂覆热电材料布置包括：在结构化框架的至少一部分上施加或涂覆由一种或多种热电材料制成的热电材料涂层。任选地，该热电材料涂层可以为薄膜涂层的形式。热电材料涂层可以具有微米量级的厚度或平均厚度。

49、在第六方面，提供了一种用于热电装置的热电单元，其直接地或间接地使用第五方面的方法制造。

50、在第七方面，提供了一种热电装置，其包括至少一个(优选地多于一个)第六方面的热电单元。热电装置可以包括多个热电单元，其中至少一个是第六方面的热电单元。

51、在第八方面，提供了一种热电装置，其包括多个热电单元。该多个热电单元包括：一个或多个第六方面的热电单元，其热电材料布置是p型热电材料布置；以及一个或多个第六方面的热电单元，其热电材料布置是n型热电材料布置。因此，该多个热电单元包括一个或多个p型热电单元以及一个或多个n型热电单元。

52、在第九方面，提供了一种装置，其具有可操作以产生热量的热源以及第八方面的热电装置。热电装置与热源可操作地连接(例如，热耦合)以促进热管理(例如，耗散)。例如，该装置可以是电子装置。该电子装置可以是可穿戴的、便携式的、手持式的等。

53、通过考虑详细描述和附图，本发明的其他特征和方面将变得显而易见。在适当和适用的情况下，本文中关于一个方面或实施方式描述的任何一个或多个特征可以与本文中关于任何其他方面或实施方式描述的任何一个或多个其他特征组合。

54、根据上下文，使用“一般”、“大约”、“基本上”等程度术语来考虑制造公差、退化、趋势、倾向、不完美的实际条件等。

55、除非另有说明，否则术语“连接”、“耦合”、“安装”等旨在涵盖直接和间接的连接、耦合、安装等。