松下碲化铋革新小型热电转换模块制造方法成本降至1/3

2014-01-27 11:11:11 来源：元器件交易网 浏览次数：0

松下开发出了碲化铋（BiTe）基热电转换元件和模块的新型制造方法，在实现元件和模块小型化的同时，还降低了材料成本、增强了模块强度，并且提高了生产效率。

在元件的小型化和降低材料成本方面，在发电性能相同的情况下，采用新方法制造的模块的面积只有采用传统方法制造的模块的1/4，材料成本仅为其1/3。松下制造本部生产技术开发中心生产技术研究所热电转换项目主管技师前嶋聪介绍说，“过去，热电转换模块之所以仅在冷却用途普及，是因为其价格高。而此次的技术有望解决这一课题”。现在，采用新型制造方法的量产技术也已经有了眉目，该公司的目标是在2014财年内使其投入实用。

　　利用玻璃管抽取

新方法是利用细玻璃管抽取在600℃以上的高温下熔化的Bi和Te，然后通过冷却使其结晶（图1）。玻璃管采用耐热性强的高硼硅玻璃。结晶后，将晶体与玻璃管一同切割，利用贴片机安装在电路板上制成模块。

松下开发的BiTe基热电发电模块的新制造方法。利用直径为0.8mm的细玻璃管吸取熔化的Bi和Te，冷却后使其结晶。截断后使用贴片机安装在电路板上，将玻璃用作包裹元件的保护层。

这种制造方法具有许多优势，最大的优点在于能够在元件小型化的同时，提高材料的利用率。传统方法要耗费大量时间使Bi和Te的熔融物冷却并结晶，制成晶块后还要切割成元件，切割元件时共需切割3次，因此，在推进元件小型化时，存在材料切割损耗太大的课题。而新方法只需切割1次，切割损耗很小，不仅可实现元件的小型化，材料成本还减少到了传统方法的1/3。

与此同时，采用新方法后，模块的强度和元件间的绝缘性也有所提升。这是因为吸取时使用的玻璃管直接成了包裹元件的保护层，改善了BiTe基热电转换模块存在的小型化之后容易破碎的课题。“并且通过了为应用于车载用途而实施的振动试验”（前嶋）。

除此之外，新方法还具备可缩短制造流程、大幅提高生产效率的优点。原因是冷却是在玻璃细管内进行，晶体生长的速度比过去的晶块快40倍。玻璃管的直径虽然只有0.8mm，但是在量产时，通过同时使用多根玻璃管，生产效率有望得到提高。据介绍，模块的月产量有望达到1万个。

　　高温区的发电性能也有所提高

新方法的优点还具有其他的优点，例如，有可能提高元件的发电性能。

松下通过第一性原理计算等方式，对BiTe基热电转换元件的发电性能进行了理论分析，围绕制作尤其困难的n型Bi2Te3晶体进行研究，发现了利用该晶体发电的理想晶体结构，以及实现这种结构的载流子密度等条件（图2），而且还找到了最适合发电的晶体取向，以及如何利用新方法实现这种晶体取向。举例来说，如果使吸取速度放慢，温度梯度的方向将与玻璃管平行，就会形成有利于发电的、晶体a轴容易生长的晶体取向。

图2：通过第一性原理计算分析n型晶体的结构

松下通过第一性原理计算分析最适合发电的n型晶体构造，结果发现，使晶体的a轴与温度梯度方向保持一致，能令性能指数提高到c轴与温度梯度方向一致时的2.4倍。此次的方法有望实现与之相近的晶体取向。（图：松下）

用新方法制造的BiTe基元件设想用于高温侧为100℃左右、温度相对较低的用途，而拥有最佳晶体结构的热电元件则设想在几百℃的高温领域用途发挥威力。

　　还瞄准了车载和大型发电用途

松下准备将这种开发技术广泛用于各种温度区域和用途（图3）。在低温区设想的用途包括利用体温和环境的热量构筑无需电池的传感器网络，以及利用消费类产品内使用的半导体的热能产生电能；在中高温区的用途包括利用汽车发动机和尾气的余热以及工厂的废热来发电等。

图3：设想了各种输出功率和用途

松下为热电元件以及新开发的技术设想的用途。在温度低于150℃的低温区可用于能量采集用途，在150℃以上的中高温区设想的用途是大规模、大功率发电。（图：松下）