松下热电转换元件新制法单位面积发电量升至4倍

作者:现金网平台发布日期:2020-06-17 00:40

  松下开发出了热电转换元件的新制造技术。虽然材料使用的是热电转换元件常用的铋(Bi)碲(Te)类,但因元件本身既小又薄,所以能在狭小的面积上排列大量元件。因此,制成热电转换模块后,与使用传统方法制成的同等性能的产品相比,面积可削减至1/4,高度可降至1/3(图1)。

  照片左侧为新开发的试制品。与以往的普通模块(照片右侧)相比,以1/4的面积即可实现相同的发电能力,高度也降至原产品的1/3左右,可实现小型、薄型化。

  以配置256个元件的20mm见方、1.2mm高的试制模块为例,约100℃的温差可获得1W左右的电力。而且,加工时的材料浪费也很少,能把材料成本降到1/3,这也是新制法的一个特点。

  为了在2014年度内使该技术形成业务,松下已开始进行实证试验,在自己的工厂里设置了这种热电转换模块,将其用作目视检查用照明电力来源。

  松下开发新制法的原因是,“通过开发全新的材料来提高发电性能、降低成本非常困难。因此,首先就着眼于形状开发了新制法,由此提高了性能”(松下制造本部热电转换项目高级工程师前岛聪)。

  普通的π型热电转换模块是在陶瓷基板上大量串联采用Bi-Te类材料的很小的热电转换元件来获得电动势。而松下采用的方法是缩小元件尺寸以更多地排列元件,从而增加单位面积的发电量。

  新制法是将Bi-Te类材料加热到600℃左右进行熔融搅拌,然后再吸到直径0.8mm、长250mm的极细耐热玻璃管中进行冷却使晶体生长(图2)。具体做法是,使耐热玻璃管穿过由冷却单元和隔热板组成的局部冷却单元,于此同时将其上拉升,从而使玻璃管中的材料凝固(图3)。凝固后,把每个玻璃管中的Bi-Te类晶体材料切成薄片,并加工成元件,然后安装到基板上串联起来。

  对Bi-Te类材料进行熔融搅拌后,吸入玻璃管中,边上拉玻璃管边冷却。连同玻璃管一起切割,制造元件。

  以往的热电转换模块为了确保强度,必须使用陶瓷基板,而采用新制法制作的元件被玻璃包覆,不易破损,使基板的自由度也更高。实际上,图1的试制品就是在采用聚酰亚胺的3层柔性基板上利用贴片机安装了元件。

  普通的π型热电转换模块的元件是把利用区熔法*1制作的Bi-Te类晶体材料的铸锭切割成正方体制造而成的。但该方法只能在有限的范围内削减元件尺寸。因为Bi-Te类材料的解理性高,所以难以切割成小尺寸。而且,切割时需要三次切削,材料损耗多,成品率低。据介绍,75%的材料都会变成粉末。

  *1 区熔法:对铸锭的局部进行带状加热使之融化,然后移动融化部分,使杂质集中到融化部分以获得高纯度材料的方法。

  新制法不但元件小,而且只需沿着与玻璃管的轴垂直的方向切割一次即可制造出元件,因此材料损耗少。另外,因为有玻璃保护,解理性高的Bi-Te类材料也不容易损坏,拥有模块厚度方向强度高的优点。

  此外,松下还改进了材料的组成。为了获得更大的电动势,运用第一性原理计算*2进行模拟,由此探明了最佳载流子密度和载流子密度的控制因子。以此为基础,根据使用温度范围设计了材料。

  *2 第一性原理计算:以电子之间、原子核之间、电子与原子核之间的相互作用等量子力学原理为基础,计算物质特性等的方法。

  一是对于晶体生长的控制。这种制法是使晶体沿玻璃管的轴向生长,为此,必须要严格控制玻璃管的上拉速度和冷却条件等。Bi-Te类材料的塞贝克效应具有各向异性,在晶体的生长方向形成温差能发挥更高的电动势。温差相同时,晶体生长方向的发电能力高达垂直方向的2.4倍左右。

  另一点是生产效率的提高。因为切割一根玻璃管只能制造一个元件,生产效率较差。

  因此,松下开发出了可优化上拉速度和冷却效果的专用制造装置。由此控制了元件的结晶状态和载流子密度。另外,该装置一次可批量处理16根玻璃管。这样一来,产能就有望达到1万模块/月。为了实现业务化,“目标是把成本降到数百日元”(前岛)。

  对于这种技术的应用,松下目前瞄准的是在100℃左右低温区域工作的发电器件。前岛表示,“打算作为能量采集的关键技术之一扩大影响力,用于传感器网络系统的局部分散型电源用途”。

  不过,将来还打算用于300~500℃的高温区域,松下寄予厚望的是车载领域。由于可实现小而薄的热电转换模块,因此对配备空间有限的汽车来说非常理想。关于耐振动和耐冲击性能,试制品已经通过了该公司的车载产品试验,今后将测评耐高温性等,探索作为车载元件的可能性。除此之外,还设想用于工厂的废热再利用用途等。

  松下正在为了将新技术用于高温领域而推进材料开发。面向低温区域可以使用Bi-Te类材料,但在高温区域就必须使用其他材料。

  铅(Pb)-Te类材料被视为高温区域的有力候选,不过松下为了减轻对环境的负荷,正在和大学共同开发不使用铅的新材料。“计划用于发电量为KW、MW级的高温区域”(前岛)。(作者:吉田 胜,日经技术在线!供稿)


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