松下熱電轉換元件新製法,單位面積發電量升至4倍

2020-12-03 人民網財經頻道

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松下開發出了熱電轉換元件的新製造技術。雖然材料使用的是熱電轉換元件常用的鉍（Bi）碲（Te）類，但因元件本身既小又薄，所以能在狹小的面積上排列大量元件。因此，製成熱電轉換模塊後，與使用傳統方法製成的同等性能的產品相比，面積可削減至1/4，高度可降至1/3（圖1）。

圖1：松下開發的π型熱電轉換模塊

照片左側為新開發的試製品。與以往的普通模塊（照片右側）相比，以1/4的面積即可實現相同的發電能力，高度也降至原產品的1/3左右，可實現小型、薄型化。

以配置256個元件的20mm見方、1.2mm高的試製模塊為例，約100℃的溫差可獲得1W左右的電力。而且，加工時的材料浪費也很少，能把材料成本降到1/3，這也是新製法的一個特點。

為了在2014年度內使該技術形成業務，松下已開始進行實證試驗，在自己的工廠裡設置了這種熱電轉換模塊，將其用作目視檢查用照明電力來源。

利用極細的玻璃管生成晶體

松下開發新製法的原因是，「通過開發全新的材料來提高發電性能、降低成本非常困難。因此，首先就著眼於形狀開發了新製法，由此提高了性能」（松下製造本部熱電轉換項目高級工程師前島聰）。

普通的π型熱電轉換模塊是在陶瓷基板上大量串聯採用Bi-Te類材料的很小的熱電轉換元件來獲得電動勢。而松下採用的方法是縮小元件尺寸以更多地排列元件，從而增加單位面積的發電量。

新製法是將Bi-Te類材料加熱到600℃左右進行熔融攪拌，然後再吸到直徑0.8mm、長250mm的極細耐熱玻璃管中進行冷卻使晶體生長（圖2）。具體做法是，使耐熱玻璃管穿過由冷卻單元和隔熱板組成的局部冷卻單元，於此同時將其上拉升，從而使玻璃管中的材料凝固（圖3）。凝固後，把每個玻璃管中的Bi-Te類晶體材料切成薄片，並加工成元件，然後安裝到基板上串聯起來。

圖2：熱電轉換元件的製法

對Bi-Te類材料進行熔融攪拌後，吸入玻璃管中，邊上拉玻璃管邊冷卻。連同玻璃管一起切割，製造元件。

圖3：製造裝置的冷卻部

為使玻璃管的軸向形成溫差，慢慢上拉。這樣，晶體就沿著軸向生長。

以往的熱電轉換模塊為了確保強度，必須使用陶瓷基板，而採用新製法製作的元件被玻璃包覆，不易破損，使基板的自由度也更高。實際上，圖1的試製品就是在採用聚醯亞胺的3層柔性基板上利用貼片機安裝了元件。

普通的π型熱電轉換模塊的元件是把利用區熔法＊1製作的Bi-Te類晶體材料的鑄錠切割成正方體製造而成的。但該方法只能在有限的範圍內削減元件尺寸。因為Bi-Te類材料的解理性高，所以難以切割成小尺寸。而且，切割時需要三次切削，材料損耗多，成品率低。據介紹，75%的材料都會變成粉末。

＊1 區熔法：對鑄錠的局部進行帶狀加熱使之融化，然後移動融化部分，使雜質集中到融化部分以獲得高純度材料的方法。

新製法不但元件小，而且只需沿著與玻璃管的軸垂直的方向切割一次即可製造出元件，因此材料損耗少。另外，因為有玻璃保護，解理性高的Bi-Te類材料也不容易損壞，擁有模塊厚度方向強度高的優點。

此外，松下還改進了材料的組成。為了獲得更大的電動勢，運用第一性原理計算＊2進行模擬，由此探明了最佳載流子密度和載流子密度的控制因子。以此為基礎，根據使用溫度範圍設計了材料。

＊2 第一性原理計算：以電子之間、原子核之間、電子與原子核之間的相互作用等量子力學原理為基礎，計算物質特性等的方法。

一次處理16根玻璃管

實現以極細的玻璃管為單位製作元件這種新創意主要得益於以下兩點。

一是對於晶體生長的控制。這種製法是使晶體沿玻璃管的軸向生長，為此，必須要嚴格控制玻璃管的上拉速度和冷卻條件等。Bi-Te類材料的塞貝克效應具有各向異性，在晶體的生長方向形成溫差能發揮更高的電動勢。溫差相同時，晶體生長方向的發電能力高達垂直方向的2.4倍左右。

另一點是生產效率的提高。因為切割一根玻璃管只能製造一個元件，生產效率較差。

因此，松下開發出了可優化上拉速度和冷卻效果的專用製造裝置。由此控制了元件的結晶狀態和載流子密度。另外，該裝置一次可批量處理16根玻璃管。這樣一來，產能就有望達到1萬模塊/月。為了實現業務化，「目標是把成本降到數百日元」（前島）。

將來還可用於車載用途

對於這種技術的應用，松下目前瞄準的是在100℃左右低溫區域工作的發電器件。前島表示，「打算作為能量採集的關鍵技術之一擴大影響力，用於傳感器網絡系統的局部分散型電源用途」。

不過，將來還打算用於300～500℃的高溫區域，松下寄予厚望的是車載領域。由於可實現小而薄的熱電轉換模塊，因此對配備空間有限的汽車來說非常理想。關於耐振動和耐衝擊性能，試製品已經通過了該公司的車載產品試驗，今後將測評耐高溫性等，探索作為車載元件的可能性。除此之外，還設想用於工廠的廢熱再利用用途等。

松下正在為了將新技術用於高溫領域而推進材料開發。面向低溫區域可以使用Bi-Te類材料，但在高溫區域就必須使用其他材料。

鉛（Pb）-Te類材料被視為高溫區域的有力候選，不過松下為了減輕對環境的負荷，正在和大學共同開發不使用鉛的新材料。「計劃用於發電量為KW、MW級的高溫區域」（前島）。（作者：吉田 勝，日經技術在線！供稿） 

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