Термоэлектрический генератор

Термоэлектрический генератор относится к устройствам преобразования тепловой энергии в электрическую (ТЭГ), а именно к области прямого преобразования тепловой энергии в электрическую и представляет собой многослойную структуру из тонких слоев полупроводника и проводника.
Термоэлектрические генераторы, получившие широкое распространение, используют для преобразования тепловой энергии в электрическую эффект Зеебека. Эффект Зеебека нашел реализацию в виде устройств прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, так называемых элементов Пельтье. Они представляют собой совокупность последовательно соединенных термопар. Элементы Пельтье очень широко используются в качестве термоэлектрических генераторов. Несмотря на широкое применение модулей Пельтье в качестве ТЭГ они имеют ряд недостатков, прежде всего связанных с необходимостью поддерживать разность температур двух пар контактов, причем величина термоЭДС существенно зависит от величины разности температур. Величина термоЭДС на таких элементах составляет до 100 мВ с одного элемента (термопары), но высокие значения термоЭДС возникают только при высоком градиенте температур разных концов термопары. Данное обстоятельство существенно сужает практическое использование термоэлектрических преобразователей, основанных на эффекте Зеебека.
Предлагаемый термоэлектрический генератор на основе термовольтаического эффекта в полупроводниковых структурах, имеет по сравнению с термоэлектрическими генераторами, принцип действия которых основан на эффекте Зеебека, следующие преимущества: для функционирования не требуется создание градиента температуры, а кроме того, генерируется более высокий уровень удельной термоЭДС.
Из уровня техники известен микротермоэлектрогенератор (RU №2130216, МПК H01L 35/18, опубликовано 10.05.1999), который выполнен на основе перекристализованной пленки n-InSb на слюдяной подложке, представляющий пленки n-InSb с низкоомными включениями двухфазной системы p-InSb+In. За счет этих включений ЭДС, вырабатываемая таким термогенераторном, составляла 12 мВ в области температур 100-340 К.
Недостатками этого устройства можно назвать необходимость поддержания градиента температуры для генерации ЭДС, и низкие значения ЭДС.
Известен термоэлектрогенератор (RU №2186439, МПК H01L 35/18, опубликовано 24.08.2000), изготовленный на основе полупроводниковой гетеротсруктуры n-InSb-SiO2-p-Si в виде подложки из окисленного кремния с перекристаллизованной пленкой n-InSb. За счет дислокаций несоответствия и значительной разности работ выхода контактирующих материалов возникает удельная термоЭДС 40-50 мВ/К в диапазоне температур 77-300 К.
Общим признаком является генерация термоЭДС.
Недостатком данного устройства является необходимость поддержания разности температур на противоположных поверхностях пленки для генерации термоЭДС.
1+x
Прототипом предлагаемого устройства выбран термоэлектрический генератор (RU №2303834, МПК H01L 37/00, опубликовано 27.07.2007), представляющий собой слой поликристаллического материала SmS, где 0<х≤0.17 с градиентом концентрации самария в направлении от одного токового электрода к другому.
Основной недостаток этого устройства - невысокое значение вырабатываемого электрического напряжения (около 1 В).
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является создание устройства преобразующего тепловую энергию в электрическую, при этом не требующего градиента температуры для генерации термоЭДС и обладающего сравнительно высокими значениями вырабатываемой термоЭДС.
1+x
1+x
Технический результат достигается тем что предполагаемый термоэлектрический преобразователь содержит N (N>2) количество условно одинаковых слоев поликристаллического самария с градиентом концентрации самария в направлении перпендикулярном плоскости токосъемных электродов. Концентрация Sm отдельно взятом слое SmS может изменяться как непрерывно, так и ступенчато. Изменение концентрации самария в каждом отдельном слое SmS удовлетворяет условию 0<х≤0.17. Слои поликристаллического сульфида самария с градиентом концентрации самария формируются в единый термовольтаический преобразователь таким образом, что та сторона, которая имеет меньшую концентрацию самария соединяется через напыляемый известными способами металлический слой со стороной слоя сульфида самария с большей концентрацией самария. Каждый слой сульфида самария наносится на металлическую поверхность. Для первого слоя металлической поверхностью, является либо металлическая подложка, либо напыленный на диэлектрическую подложку слой металла. Для последующих слоев сульфида самария металлической поверхностью является слой металла напыленный на предыдущий слой полупроводника. Токосъемными электродами являются металлический слой подложки и верхний напыленный металлический слой верхнего слоя сульфида самария.
1+x
Отличительными признаками от прототипа является то, что полезная модель содержит N>2 слоев полупроводникового поликристаллического SmS, с градиентом концентрации Sm для формирования термоэлектрического элемента, что позволяет существенно повысить вырабатываемую термоЭДС.
Наличие отличительных признаков позволяет сделать вывод о соответствии заявляемой полезной модели условию патентоспособности «новизна».
20
21
Достижение технического результата подтверждается возможностью получения многослойного термовольтаического преобразователя. Термовольтаический эффект в структурах сульфида самария с градиентом концентрации возникает из-за появления большого количества (10-10) донорных уровней с энергией около 45 мэВ. Что приводит, в свою очередь, к появлению градиента концентрации электронов, а, следовательно, и ЭДС. С ростом температуры электроны делокализуются , что приводит к переходу Моттовского типа в локальных областях (Каминский В.В. и др., ФТТ, 2001, т. 43, вып. 6, с. 997-999). При массовом изменении валентности самария происходит скачкообразное изменение концентрации электронов в зоне проводимости, которые в свою очередь диффундируют из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией. Фазовый переход самария  сопровождается поглощением энергии, что охлаждает кристалл сульфида самария и позволяет поддерживать сложный импульсный процесс термовольтаического преобразования с помощью постоянного нагрева.
Формирование слоя сульфида самария с градиентом концентрации самария выполняется известными способами, такими как: дискретное испарение в вакууме (В.В.Слуцкая, "Тонкие пленки в технике сверхвысоких частот", Советское радио, Москва, 1967, с. 16), (Гребинский С.И., Каминский В.В. и др., "Тензорезистивный эффект в тонких пленках монохалькогенидов самария", Деп. ЦНИИ "Электроника", 1983, №9201/84, с. 25); лазерное испарение (Богодельный A.M., Каминский В.В. и др., Тензорезисторы на основе лазерных конденсатов моносульфида самари ", Школа по актуальным вопросам физики и химии соединений на основе РЗЭ, тезисы доклада, АН СССР, Красноярск, 1989, с. 16-17); напыление из двух источников (Гребинский СИ., Каминский В.В. и др., "Тензорезистивный эффект в тонких пленках монохалькогенидов самария", Деп. ЦНИИ "Электроника", 1983, №9201/84, с. 25). Напыление токопроводящих слоев осуществляется также известными способами, например, резистивным, магнетронным напылением и др.
Авторами патента РФ №2303834 было установлено, что при напылении SmS известными способами возможно монотонное изменение концентрации Sm в напыляемом материале SmS, путем монотонного изменения температуры подложки в диапазоне 250-600°С.
Заявляемая полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1, представлено схематическое изображение термоэлектрического
1+x
преобразователя по п. 1 из N слоев, где: 1 - слой SmS, где 0<х≤0.17; 2 - первый токовый контакт (подложка); 3 - второй токовый контакт; 4 - металлический слой.
1+x
На фиг. 2 представлено схематическое изображение термоэлектрического преобразователя по п. 2 из N слоев, где: 1 - слой SmS, где 0<х≤0.17; 2 - первый токовый контакт; 3 - второй токовый контакт; 4 - металлический слой; 5 - подложка.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Термоэлектрический преобразователь подключают к нагрузке и нагревают, при этом возникает термоЭДС. Величина термоЭДС измеряется путем подключения измерительного прибора к токовым контактам термоэлектрического преобразователя.
Получение многослойного термовольтаического преобразователя на основе полупроводникового SmS возможно с использованием взрывного способа для получения пленок сульфида самария и магнетронного напыления для получения проводящих покрытий. В качестве проводящей подложки возможно использование никелевой подложки. На подлодку взрывным способом напыляется SmS с градиентам концентрации самария. Для этого в условиях высокого вакуума на разогретую свыше 2500°С лодочку высыпается порошок SmS. Формирование градиента Sm происходит благодаря монотонному изменению температуры подложки в процессе напыления. Диапазон изменения температуры находится в пределах от 250 до 600°С. Далее на полученном полупроводниковом слое методами магнетронного напыления формируется металлический слой. Напыление второго слоя SmS с градиентом примеси осуществляется на верхний никелевый токопроводящий слой с соблюдение режима температур, выбранного для первого слоя SmS, и так далее до получения требуемого количества слоев. Верхний токопроводящий слой является вторым токосъемным электродом.
Пример №1.
-4
На никелевую подложку, являющуюся первым токосъемным электродом, взрывным методом было нанесено 10 слоев поликристаллического сульфида самария с градиентом концентрации самария, разделенных металлическими (никелевыми) слоями. Процесс происходил при температуре разогреваемой лодочки 2700°С, условия вакуума 10 Па. Начало формирование каждого слоя SmS происходило при температуре подложки 300°С и заканчивалось при 500°С. Общая толщина изготовленного термовольтаического преобразователя, не считая толщины подложки составила 2,5 мкм.
Полученная структура схематически соответствует Фиг. 1.
-1
Толщина полученного образца измерялась методами атомно-силовой микроскопии на ACM Solver NT-MDT. Параметры термоЭДС измерялись путем медленного нагрева (2°С в минуту) термоэлектрического преобразователя в вакуумной среде 10 Па. Измерения термоЭДС проводились для температур 30 - 200°С. Присоединение проводников к полученному термоэлектрогенератору осуществлялось с помощью прижимных контактов к токосъемным контактам термоэлектрического элемента. Генерация ЭДС начиналась при Т=163°С и составляла 5,3 В.
Пример №2.
-4
На ситалловую подложку методами магнетронного напыления был нанесен никелевый слой, являющуюся первым токосъемным электродом. Далее взрывным методом было нанесено 6 слоев поликристаллического сульфида самария с градиентом концентрации самария, разделенных металлическими (никелевыми) слоями. Процесс происходил при температуре разогреваемой лодочки 2700°С, условия вакуума 10 Па. Начало формирование каждого слоя SmS происходило при температуре подложки 300°С и заканчивалось при 500°С. Общая толщина изготовленного термовольтаического преобразователя, не считая толщины подложки составила 1,6 мкм.
Полученная структура схематически соответствует Фиг. 2.
-1
Толщина полученного образца измерялась методами атомно-силовой микроскопии на ACM Solver NT-MDT. Параметры термоЭДС измерялись путем медленного нагрева (2°С в минуту) термоэлектрического преобразователя в вакуумной среде 10 Па. Измерения термоЭДС проводились для температур 30 - 200°С. Присоединение проводников к полученному термоэлектрогенератору осуществлялось с помощью прижимных контактов к токосъемным контактам термоэлектрического элемента. Генерация ЭДС начиналась при Т=160°С и составляла 3,2 В.