研究表明，熱電模塊可以通過塞貝克效應直接將熱量轉化為電能。由于結構緊湊、可靠性高且無振動，這些固態(tài)模塊在發(fā)電應用中具有廣闊的前景。在過去的二十年中，高性能熱電材料的發(fā)展令人矚目。然而，制造高效穩(wěn)定的熱電模塊的進展仍然緩慢。
熱電模塊制造關鍵依賴于設計兩個高質量的組件：半導體-金屬界面（熱電材料和金屬化層之間的接觸界面）和金屬-金屬接觸（電極和金屬化層之間的鍵合界面）。
設計這些組件以最大程度地減少阻抗和熱阻引起的不可逆損耗至關重要，并且它們應具有機械堅固性以承受任何潛在的外部負載。為了保持組件的長期穩(wěn)定性，必須匹配多層材料的熱膨脹系數(shù)（CTE）。
此外，防止不同材料之間的元素擴散至關重要。過高的焊接溫度會使熱電材料的性能惡化，并可能降低其機械性能（例如PbTe和GeTe在高溫下的軟化）。
更加重要的是，由材料之間的CTE差異引起的焊接殘余熱應力將是不利的，隨著熱側溫度的升高，解決這些問題變得越來越困難。因此，針對特定的熱側溫度開發(fā)不同材料的熱電模塊需要付出巨大的努力。
為了促進各種工作溫度范圍的熱電模塊的開發(fā)，哈爾濱工業(yè)大學深圳研究生院張倩教授，毛俊教授和李明雨教授，美國休斯頓大學任志鋒教授采用了銀納米顆粒（Ag NPs）進行界面設計。
得益于Ag NPs的低熔點，本文在~573 K的極低溫度下成功制備了基于PbTe的模塊。由于Ag NPs的燒結高度穩(wěn)定，因此基于PbTe的模塊可以在~823 K的高溫下可靠地運行。
實驗結果表明，作者實現(xiàn)了~11%的高熱電轉換效率，并且在593和793 K的熱側溫度之間經(jīng)過50次熱循環(huán)后保持了出色的穩(wěn)定性。另外通過將Ag NPs作為制備低溫Bi2Te3基和高溫半休氏勒合金（HH）基模塊的填料，證明了這種方法可以普遍應用。
相關文章以“Low-temperature sintering of Ag nanoparticles for high-performance thermoelectric module design”為題發(fā)表在Nature Energy上。
焊接工藝對于實現(xiàn)具有低不可逆損耗的穩(wěn)定界面至關重要。其中，制造中高溫模塊時，最高焊接溫度（Tweld）的填料通常比設計的熱側溫度（Twork）的模塊高100-300K。
然而，這種加熱可能導致材料的熱電性能明顯下降。在這方面，所使用的填料應該能夠在非常低的溫度下粘合金屬（即具有低熔點Tm），但在高溫下保持穩(wěn)定（即具有較高的使用溫度）。
傳統(tǒng)填料無法滿足這一要求，它們的使用溫度（Twork）線性取決于它們的 Tm。為了減少焊接過程中電子設備的損耗，并滿足高密度功率器件的苛刻服務要求，為工業(yè)應用開發(fā)了各種新的連接技術。
其中，低溫燒結Ag NPs技術引起了極大的興趣，并已用于制造寬帶隙器件，例如包含SiC和GaN的器件。
然而，其在熱電器件中的實用性和可靠性尚未在以前的研究中得到系統(tǒng)的驗證。由于缺乏驗證，熱電領域的研究人員未能實現(xiàn)Ag NPs在低焊接溫度和高工作溫度的獨特優(yōu)勢，這在熱電器件的設計中至關重要。
作者使用Ag NPs作為填料，在573K的溫度下，制造基于PbTe的熱電模塊，可在823 K下工作。如圖1c所示，基于PbTe的熱電模塊熱電轉換效率為11%。
同時，使用Ag NPs作為填料所產(chǎn)生的界面連接也確保了模塊優(yōu)異的穩(wěn)定性和可靠性，通過在593和793 K熱側溫度之間的50個熱循環(huán)中觀察到的穩(wěn)定的功率輸出和轉換效率得到驗證（圖1d）。
為了證明Ag NPs對其他熱電材料的適用性，還制備了Bi2Te3（最大效率為~5.3%）和HH（最大效率為~8.6%）模塊（圖1c）。
總之，在熱電模塊設計中，該工藝大大簡化了模塊制備，最大限度地減少了焊接熱循環(huán)對模塊性能的影響，并進一步提高了模塊效率。已被用于演示基于PbTe的模塊，通過低溫燒結以及連接層和熱電材料之間電氣和機械性能的雙重匹配來實現(xiàn)高效率和出色的熱循環(huán)性能。
更重要的是，這種低溫Ag NPs燒結也被應用于Bi2Te3基和HH基模塊的制造，證明了該技術的普遍性。因此，本文的研究表明，Ag NPs可以應用于其他熱電材料的模塊制造，從而極大地促進了先進的熱電發(fā)電裝置的發(fā)展。
Yin, L., Yang, F., Bao, X. et al. Low-temperature sintering of Ag nanoparticles for high-performance thermoelectric module design. Nat Energy (2023). https://doi.org/10.1038/s41560-023-01245-4
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