超薄热电模块建立热电应用新的性能范例

固态冷却和发电早已成为复杂的热量管理和能量问题的解决方案。为了解决这些热能问题，热电模块已经使用几十年了。热电模块的核心部件是热电偶，一个热电偶包括用一块金属板连接起来的两个不同半导体(是指用P型和N型来描述两种材料中不同的导电机制)。端点的电气连接形成一个完整的导电回路，当有电流流过时，就会产生热电制冷(TEC)现象，在这种情况下，热电偶一端变冷另一端变热，这就是所谓的“帕尔帖(Peltier)”效应。当该热电偶放入一个有温度梯度(即顶部比底部热)的环境中时就会产生热电发电(TEG)现象，在这种情况下，该装置产生电流，将热能转换为电能，这就是所谓的塞贝克效应，如图1所示。

实际应用中，从热电材料梨晶(boule)上切割下来的大量P型、N型颗粒和热电偶组合在一起(电气上串联，热学上并联)形成一个TEC或TEG。根据其尺寸和制作方法，传统模块被称为“散装”模块。这种装置很早并一直用于航空航天领域中的发电，以及仪表、通讯和其他大量专业应用中的冷却和温度控制。

薄膜热电技术

虽然热电模块具有固态的优点，但是也有诸多缺点，比如普遍效率低、易损坏且体积大。传统热电模块的大尺寸和离散特性严重制约了它们的实现。最近业界有大量开发工作集中在薄膜热电器件上。薄膜热电材料可用传统的半导体沉积方法生长，并且可以使用传统半导体微加工技术来加工。最终的器件比传统模块小得多，并有希望直接集成到现代的制造方法中。图2给出了薄膜TEC和传统散装TEC的比较。薄膜TEC的长和宽比传统TEC小6倍，高度小18倍。因此，薄膜TEC的体积比传统TEC约小110倍。

虽然比较薄膜和散装热电模块的大小比较有意思，但是比较其性能显得更为有用。描述一个热电模块性能最常用的方法就是它的负载线。在固定运行电流和特定参考温度下，将模块顶部、底部之间能达到的温度差ΔT，标绘为能量Q的函数，这样就产生了负载线，能量Q是热电模块能从温度梯度获得的能量。图3显示了Nextreme和散装装置的负载线，都是在参考温度为25℃时测量的。在本例中，模块的特征负载线显示的是在其最大运行电流(Imax)时的情况。在Imax条件下，Q为零时的ΔT被称为ΔTmax，ΔT为零时汲取的能量被称为Qmax。虽然ΔTmax和Qmax都不是设备实际的运行条件，但是它们确定了设备的性能范围(performance envelope)数据，并且经常被用来作为比较的依据。

图1：基于帕尔帖效应用作TEC(左)和基于赛贝克效应用作TEG(右)的PN结原理图。

图2：散装TEC与Nextreme TEC的形状和大小比较。

图3：散装TEC和薄膜TEC各自的负载线。