熱電材料及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開內(nèi)容涉及熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)，并且更具體地，涉及具有優(yōu)異熱電轉(zhuǎn)換特性的熱電轉(zhuǎn)換材料及其制造方法，以及使用這種材料的用途。
[0002]本申請要求于2013年9月9日在韓國提交的韓國專利申請第10-2013-0107927號、于2014年7月21日在韓國提交的韓國專利申請第10-2014-0091973號，以及于2014年9月4日在韓國提交的韓國專利申請第10-2014-0117861號的優(yōu)先權(quán)，其公開內(nèi)容通過引用并入本文中。
【背景技術(shù)】
[0003]化合物半導(dǎo)體是由至少兩種類型的元素而不是一種類型的元素(例如，硅或鍺)構(gòu)成并且起半導(dǎo)體作用的化合物。已經(jīng)研發(fā)了各種類型的化合物半導(dǎo)體并且目前被用于各種工業(yè)領(lǐng)域。通常，化合物半導(dǎo)體可以用于利用帕爾貼效應(yīng)(Peltier Effect)的熱電轉(zhuǎn)換元件、利用光電轉(zhuǎn)換效應(yīng)的發(fā)光器件(例如，發(fā)光二極管或激光二極管)、燃料電池等。
[0004]特別地，熱電轉(zhuǎn)換元件用于熱電轉(zhuǎn)換發(fā)電或熱電轉(zhuǎn)換冷卻應(yīng)用，并且通常包括串聯(lián)電連接和并聯(lián)熱連接的N型熱電半導(dǎo)體和P型熱電半導(dǎo)體。熱電轉(zhuǎn)換發(fā)電是利用經(jīng)由在熱電轉(zhuǎn)換元件中創(chuàng)造溫差而產(chǎn)生的熱電動勢將熱能轉(zhuǎn)換成電能從而發(fā)電的方法。另外，熱電轉(zhuǎn)換冷卻是利用當(dāng)直流電流流經(jīng)熱電轉(zhuǎn)換元件的兩端時，在熱電轉(zhuǎn)換元件的兩端之間產(chǎn)生溫差的效應(yīng)將電能轉(zhuǎn)換成熱能從而產(chǎn)生冷卻的方法。
[0005]熱電轉(zhuǎn)換元件的能量轉(zhuǎn)換效率通常取決于熱電轉(zhuǎn)換材料的性能指數(shù)值或ZT。這里，可以基于塞貝克(Seebeck)系數(shù)、電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率來確定ZT，并且隨著ZT值增加，熱電轉(zhuǎn)換材料的性能越好。
[0006]現(xiàn)已提出并研發(fā)出許多可用于熱電轉(zhuǎn)換元件的熱電材料，其中作為Cu-Se基熱電材料，CuxSeU < 2)被提出并且正在研發(fā)當(dāng)中。這是因為CuxSeU < 2)是已知的。
[0007]特別地，近來已經(jīng)報道了在CuxSe(1.98 < x < 2)中實現(xiàn)了相對低的熱導(dǎo)率和高的ZT值。典型地，Lidong Chen團隊已經(jīng)報道了 Cu2Se在727°C下表現(xiàn)出ZT = 1.5 (NatureMaterials，11，(2012)，422_425) JIT的Gang Chen團隊也報道了在x= I.96(Cu2SenWPx=I.98(Cu2Se1.οι) (X小于2)時高的ZT值(Nano Energy (2012)1，472-478)。
[0008]然而，由兩個結(jié)果均能看到的，在600°C?727°C下觀察到比較好的ZT值，但是發(fā)現(xiàn)在低于或等于600°C的溫度下ZT值非常低。盡管熱電轉(zhuǎn)換材料在高溫下具有高的ZT，但是如果該熱電轉(zhuǎn)換材料在低溫下具有低的ZT值，則這樣的熱電轉(zhuǎn)換材料不是優(yōu)選的，尤其是，不適合用于發(fā)電的熱電材料。即使這樣的熱電材料應(yīng)用于高溫?zé)嵩矗灿捎诓牧媳旧淼臏囟忍荻人?，使材料的某區(qū)域經(jīng)受比所期望的溫度低得多的溫度。因此，需要研發(fā)由于在低于或等于600°C的溫度范圍(例如，100°C?600°C)以及在高于600°C的溫度范圍具有高的ZT值而能夠在寬的溫度范圍內(nèi)維持高的ZT值的熱電材料。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0009]技術(shù)問題
[0010]因此，設(shè)計本公開內(nèi)容以解決上述問題，并且因此，本公開內(nèi)容旨在提供在寬的溫度范圍內(nèi)具有高的熱電轉(zhuǎn)換性能的熱電材料及其制造方法，以及使用該熱電材料的設(shè)備。
[0011]本公開內(nèi)容的這些和其他的目的和優(yōu)點可以根據(jù)下面的詳細描述來理解，并且將根據(jù)本公開內(nèi)容的示例性實施方案而變得更全面地顯見。另外，將容易理解的是，本公開內(nèi)容的目的和優(yōu)點可以通過在所附權(quán)利要求中所示出的手段及其組合來實現(xiàn)。
[0012]技術(shù)方案
[0013]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明人已經(jīng)在反復(fù)研究合成由以下化學(xué)式I表示的熱電材料之后完成了本發(fā)明以制造具有優(yōu)異的熱電轉(zhuǎn)換性能的新熱電材料:
[0014]〈化學(xué)式1>
[0015]CuxSe
[0016]在化學(xué)式I 中，2<x<2.6。
[0017]優(yōu)選地，在化學(xué)式I中，2.2。
[0018]另外，優(yōu)選地，在化學(xué)式I中，2.15。
[0019]另外，優(yōu)選地，在化學(xué)式I中，2.1。
[0020]另外，優(yōu)選地，在化學(xué)式I中，2.01<x。
[0021 ]另外，優(yōu)選地，在化學(xué)式I中，2.025 < X。
[0022]另外，優(yōu)選地，在化學(xué)式I中，2.04<x。
[0023]另外，優(yōu)選地，在化學(xué)式I中，2Kx。
[0024]另外，優(yōu)選地，在化學(xué)式I中，2.075< X。
[0025]另外，為了實現(xiàn)上述目的，根據(jù)本公開內(nèi)容的熱電轉(zhuǎn)換元件包括根據(jù)本公開內(nèi)容的熱電材料。
[0026]另外，為了實現(xiàn)上述目的，根據(jù)本公開內(nèi)容的熱電發(fā)電機包括根據(jù)本公開內(nèi)容的熱電材料。
[0027]有益效果
[0028]根據(jù)本公開內(nèi)容，可以提供具有優(yōu)異的熱電轉(zhuǎn)換性能的熱電材料。
[0029]特別地，根據(jù)本公開內(nèi)容的一方面的熱電材料在100°C至600°C之間的寬的溫度范圍內(nèi)可以具有低的熱擴散率和低的熱導(dǎo)率以及高的塞貝克系數(shù)和高的ZT值。
[0030]因此，根據(jù)本公開內(nèi)容的熱電材料可以取代常規(guī)的熱電材料，或者可以被用作與常規(guī)熱電材料結(jié)合的另一材料。
[0031]而且，根據(jù)本公開內(nèi)容的熱電材料可以在低于或等于600°C，更具體地在接近100°C?200°C的低溫下，維持比常規(guī)熱電材料高的ZT值。因而，當(dāng)在用于發(fā)電的熱電裝置中使用時，根據(jù)本公開內(nèi)容的熱電材料可以確保穩(wěn)定的熱電轉(zhuǎn)換性能，即使在材料暴露于較低的溫度下亦是如此。
[0032]另外，根據(jù)本公開內(nèi)容的熱電材料可以被用在太陽能電池、紅外線(IR)窗、IR傳感器、磁性裝置、存儲器等中。
【附圖說明】
[0033]附圖示出了本公開內(nèi)容的優(yōu)選的實施方案，并且與前述公開內(nèi)容一起用于提供對本公開內(nèi)容的技術(shù)精神的進一步理解，因而，本公開內(nèi)容不應(yīng)該被理解為限于所述附圖。
[0034]圖1是根據(jù)本公開內(nèi)容的示例性實施方案的熱電材料的X射線衍射(XRD)分析結(jié)果的圖。
[0035]圖2是圖1的部分A的放大圖。
[0036]圖3至圖7是示出根據(jù)本公開內(nèi)容的示例性實施方案的熱電材料的掃描電子顯微鏡/能量色散譜圖(SEM/EDS)分析結(jié)果的圖。
[0037]圖8是針對根據(jù)本公開內(nèi)容的示例性實施方案的熱電材料的基于溫度的XRD分析結(jié)果的圖。
[0038]圖9是示意性地示出根據(jù)本公開內(nèi)容的示例性實施方案的用于制造熱電材料的方法的流程圖。
[0039]圖10是示出針對根據(jù)本公開內(nèi)容的實施例和比較例的熱電材料的基于溫度的熱擴散率測量結(jié)果的比較的圖。
[0040]圖11是示出針對根據(jù)本公開內(nèi)容的實施例和比較例的熱電材料的基于溫度的塞貝克系數(shù)測量結(jié)果的比較的圖。
[0041]圖12是示出針對根據(jù)本公開內(nèi)容的實施例和比較例的熱電材料的基于溫度的ZT值測量結(jié)果的比較的圖。
[0042]圖13是根據(jù)本公開內(nèi)容的一個實施例的熱電材料的掃描離子顯微鏡(SIM)圖像。
[0043]圖14是根據(jù)一個比較例的熱電材料的S頂圖像。
[0044]圖15是僅改變圖10的實例的y軸刻度的圖。
[0045]圖16是僅改變圖11的實例的y軸刻度的圖。
[0046]圖17是示出根據(jù)本公開內(nèi)容的不同示例性實施方案的通過不同的合成方法制造的熱電材料的XRD分析結(jié)果的比較的圖。
[0047]圖18是圖17的部分D的放大圖。
[0048]圖19是示出針對根據(jù)本公開內(nèi)容的不同示例性實施方案的通過不同的合成方法制造的熱電材料的基于溫度的晶格熱導(dǎo)率測量結(jié)果的比較的圖。
[0049]圖20是示出針對根據(jù)本公開內(nèi)容的不同示例性實施方案的通過不同的合成方法制造的熱電材料的基于溫度的功率因數(shù)測量結(jié)果的比較的圖。
[0050]圖21是示出根據(jù)本公開內(nèi)容的不同示例性實施方案的通過不同的合成方法制造的熱電材料的基于溫度的ZT值測量結(jié)果的比較的圖。
【具體實施方式】
[0051]下文中，將參照附圖詳細描述本公開內(nèi)容的優(yōu)選實施方案。在描述之前，應(yīng)該理解的是，在說明書中和所附權(quán)利要求中所使用的術(shù)語不應(yīng)該被理解為限于一般的以及詞典中的意思，而是應(yīng)該被理解為基于允許發(fā)明人為了最好的解釋而適當(dāng)定義術(shù)語的原則，根據(jù)與本公開內(nèi)容的技術(shù)方面對應(yīng)的意思和概念而理解。
[0052]因此，本文所提出的描述僅是為了說明的目的的優(yōu)選的實例，并不旨在限制本公開內(nèi)容的范圍，所以應(yīng)該理解的是，在不脫離本公開內(nèi)容的精神和范圍的情況下，可以做出其他的等同方案和修改方案。
[0053]根據(jù)本公開內(nèi)容的一個方面的熱電材料可以由以下的化學(xué)式I表示:
[0054]〈化學(xué)式1>
[0055]CuxSe
[0056]在化學(xué)式I中，2<χ<