一种由P型、N型半导体构成的堆垛式热电器件及其参数确定方法

一种由p型、n型半导体构成的堆垛式热电器件及其参数确定方法
技术领域
1.本发明涉及热电器件技术领域，具体涉及一种由p型、n型半导体构成的堆垛式热电器件及其参数确定方法。


背景技术：

2.热电发电和热电制冷技术，由于其不可替代的灵活性、多样性、可靠性等优势和特点，热电材料科学和热电转换技术的内涵也得到了拓展和丰富，作为支撑诸多现代产业的关键技术正受到前所未有的期待；然而，传统的热电器件始终采用几何结构相同的p型半导体和n型半导体而忽视了由于p型半导体、n型半导体因为材料参数的差异所带来的热电损耗，当多个这样的热电偶串联连接后，损耗会变得更加明显。具体而言，由于p型半导体、n型半导体的塞贝克系数、热导率、电导率等材料参数各不相同，在使用传统热电器件进行串联时，器件中流过的电流会受限于较小的一端，从而使输出功率受损。
3.因此有必要克服这一设计上的缺陷，使各导体中流过的电流大小尽可能相等。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种由p型、n型半导体构成的堆垛式热电器件及其参数确定方法，通过改变并联的p型半导体以及n型半导体的个数调节两者的参数，使流过两种半导体中的电流大小相等，进而规避因电流受限带来的热电损耗。相比传统热电器件，本发明具有更高的热电转换效率。
5.本发明采取的技术方案为：
6.一种由p型、n型半导体构成的堆垛式热电器件，包括：
7.上层陶瓷板、下层陶瓷板；
8.位于上层的第一金属电极，位于下层一侧的第二金属电极，位于下层另一侧的第三金属电极；
9.所述第一金属电极与第二金属电极之间分布有多个p型半导体，多个p型半导体上端面连接第一金属电极一侧底面；多个p型半导体底面连接第二金属电极上端面；
10.所述第一金属电极与第三金属电极之间分布有多个n型半导体，多个n型半导体上端面连接第一金属电极另一侧底面；多个n型半导体底面连接第三金属电极上端面；
11.所述第一金属电极上端面连接上层陶瓷板底面；所述第二金属电极底面、第三金属电极底面均连接下层陶瓷板上端面。
12.根据p型半导体和n型半导体的排列方向，分为x轴方向，y轴方向以及z轴方向三个方向，其中：
13.x轴方向上含有m
±
i个p型半导体和个n型半导体，每个p型半导体以及每个n型半导体长度均为l0，且相邻两半导体之间的间距为l1；
14.y轴方向上，p型半导体个数与n型半导体个数均为m+n，宽度均为l0，相邻两半导体
之间的间距为l1；
15.z轴方向上，所述陶瓷板、所述金属电极、所述半导体的高度分别为h1、h2、h3。
16.所述p型半导体为(m
±
i)*(m+n)个，n型半导体为个，其中：m，n分别表示x轴方向上的p型半导体和n型半导体的初始个数，i表示x轴方向上的p型半导体和n型半导体的变化个数。
17.所述p型半导体的下层第一金属电极的x轴方向上长度为(m
±
i)l0+(m
±
i-1)l1；
18.n型半导体的下层第二金属电极的x轴方向上长度为
19.连接p型半导体和n型半导体的上层第一金属电极的x轴方向上长度为(m+n)l0+(m+n-1)l1。
20.所述陶瓷板、金属电极在y轴方向上的长度和x轴方向上的长度一致，均为：(m+n)l0+(m+n-1)l1。
21.所述第一金属电极、第二金属电极、第三金属电极均为铜电极。
22.所述p型半导体和n型半导体并联后的总电流分别为i
p
和in。
23.堆垛式热电器件参数确定方法，
24.计算单个p型半导体和n型半导体的电阻率积分中值和确立陶瓷板、p型半导体和n型半导体、金属电极以及负载电阻的边界条件，由p型半导体、n型半导体电流相等，初步确定p型半导体、n型半导体个数的最简分式，即其中：m和n均为正整数，若则m＞n；若则m＜n；若则m＝n。
25.记最简分式中的m和n为p型半导体与n型半导体的初始个数，进一步确定两种半导体的最优个数比；
26.step1：若i
p
＜in，则p型半导体的个数应为m+i，n型半导体的个数应为n-i，否则p型半导体个数为m-i，n型半导体的个数为n+i；
27.step2：计算i＝0时，流过p型半导体中的电流大小i
p
(0)、流过n型半导体中的电流判断是否满足若满足条件，则i＝i+1，返回重新计算堆垛式热电器件中p型半导体内流过的电流i
p(1)
与n型半导体内流过的电流i
n(1)
；
28.step3：再次判断是否满足i
p(1)
＜i
n(1)
，重复该循环直到i
p(i)
≥i
n(i)
；若则i＝i+1，重复上述步骤直至i
p(i)
≤i
n(i)
，停止循环；
29.step4：最后，可得p型半导体与n型半导体的最优个数比为
30.step5：若直接停止循环，即为最优个数比，其中：m、n、i均为正整数。确定某一n型半导体个数下p型半导体3的最优个数：
31.即每当n型半导体的个数变为的a倍时，相应的，p型半导体的个数也变为m
±
i的a倍，在四舍五入后保留整数部分，得到的p型半导体个数为当前n型半导体个数下的最优个数，其中：a为某一系数，a为任意正整数。
32.温度边界条件设置为：下层陶瓷板底面设置为高温边界，上层陶瓷板顶面设置为低温边界；所述电流边界条件设置为：p型半导体侧的下层第二金属电极的左侧端面设置为电接触，n型半导体侧的下层第三金属电极的右侧端面设置为接地。
33.本发明一种由p型、n型半导体构成的堆垛式热电器件及其参数确定方法，技术效
果如下：
34.1)本发明提出一种堆垛式热电器件，其内部由多个并联的p型半导体与多个并联的n型半导体通过铜电极进行连接，整体夹于两陶瓷板之间，整体通过改变并联的p型半导体个数与并联的n型半导体个数使流过两者中的电流相等，进而获得最大输出功率。
35.2)同时，本发明将通过数值求解的方式提供一种由p型半导体与n型半导体构成的堆垛式热电器件及其参数确定方法，确定并联所需的p型半导体与n型半导体的最简个数比。
36.3)本发明所述的堆垛式热电器件由m个p型半导体和n个n型半导体分别并联再通过串联得到，m与n并不相等，在材料参数已知时，通过数值计算得到两者的近似比值，再根据有限元法进行仿真得到精确值，最终可在任意n值下取到m的最优值。
37.4)本发明能指导传统器件的优化，并优化自身参数，使整体的热电性能得到提升。
附图说明
38.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：
39.图1为堆垛式热电器件行向(x轴方向)的结构示意图。
40.图2为堆垛式热电器件列向(y轴方向)的结构示意图。
41.图3为涉及堆垛式热电器件具体参数的计算流程图。
42.图4为堆垛式热电器件的三维几何图。
具体实施方式
43.下面结合附图、具体的热电器件及其材料参数，来说明本发明的技术方案：
44.如图1、图2所示，一种由p型、n型半导体构成的堆垛式热电器件，包括：
45.上层陶瓷板1、下层陶瓷板1’；
46.位于上层的第一金属电极2.1，位于下层一侧的第二金属电极2.2，位于下层另一侧的第三金属电极2.3；
47.所述第一金属电极2.1与第二金属电极2.2之间分布有多个p型半导体3，多个p型半导体3上端面连接第一金属电极2.1一侧底面；多个p型半导体3底面连接第二金属电极2.2上端面。即：多个p型半导体3通过第一金属电极2.1一侧、第二金属电极2.2并联。
48.所述第一金属电极2.1与第三金属电极2.3之间分布有多个n型半导体4，多个n型半导体4上端面连接第一金属电极2.1另一侧底面；多个n型半导体4底面连接第三金属电极2.3上端面。即：多个n型半导体4通过第一金属电极2.1另一侧、第三金属电极2.3并联。
49.多个p型半导体3、多个n型半导体4之间通过第一金属电极2.1串联。
50.所述第一金属电极2.1上端面连接上层陶瓷板1底面；所述第二金属电极2.2底面、第三金属电极2.3底面均连接下层陶瓷板1’上端面。
51.根据p型半导体3和n型半导体4的排列方向，分为x轴方向(行向)，y轴方向(列向)以及z轴方向(纵向)三个方向，其中：
52.x轴方向上含有m
±
i个p型半导体3和个n型半导体4，每个p型半导体3以及每个n型半导体4长度均为l0，且相邻两半导体之间的间距为l1；
53.y轴方向上，p型半导体3个数与n型半导体4个数均为m+n，宽度均为l0，相邻两半导
体之间的间距为l1；
54.z轴方向上，所述陶瓷板、所述金属电极、所述半导体的高度分别为h1、h2、h3。
55.所述p型半导体3为(m
±
i)*(m+n)个，n型半导体4为个，其中：m，n分别表示x轴方向上的p型半导体3和n型半导体4的初始个数，i表示x轴方向上的p型半导体3和n型半导体4的变化个数。
56.所述p型半导体3的下层第一金属电极2.1的x轴方向上长度为(m
±
i)l0+(m
±
i-1)l1；n型半导体4的下层第二金属电极2.2的x轴方向上长度为
57.连接p型半导体3和n型半导体4的上层第一金属电极2.1的x轴方向上长度为(m+n)l0+(m+n-1)l1。
58.所述陶瓷板、金属电极在y轴方向上的长度和x轴方向上的长度一致，均为：(m+n)l0+(m+n-1)l1。
59.所述第一金属电极2.1、第二金属电极2.2、第三金属电极2.3均为铜电极。
60.所述p型半导体3和n型半导体4并联后的总电流分别为i
p
和in。
61.堆垛式热电器件的参数确定方法，具体流程步骤如下：
62.步骤1，通过温度差值，计算p型半导体3和n型半导体4的电阻率积分中值和值，以此确定并联的p型半导体3和并联的n型半导体4的个数关系：
63.(1)计算p型半导体3的电阻率积分中值
[0064][0065]
式(1)中，th和tc分别为堆垛式热电器件的热端温度和冷端温度，ρ
p
(t)为每个p型半导体的电阻率；
[0066]
(2)计算n型半导体的电阻率积分中值
[0067][0068]
式(2)中，ρn(t)为每个n型半导体的电阻率；
[0069]
(3)根据电流相等的原则，初步计算p型半导体3与n型半导体4的个数关系，得到两者的最简分式，即式中m和n均为正整数，若则m＞n，若则m＜n，若则m＝n。
[0070]
步骤2，确定i
p
＝in时m和n之间的数值关系，具体步骤包括：
[0071]
(1)计算并联后p型半导体3上、下端面的电压，即：
[0072]up
＝m(m+n)
·
α
p
(t
h-tc)
ꢀꢀ
(3)；
[0073]
式(3)中，u
p
表示m个p型半导体并联后的总电压，α
p
表示每个p型半导体热导率；
[0074]
(2)计算并联后n型半导体4上、下端面的电压，即：
[0075]
un＝n(m+n)
·
αn(t
h-tc)
ꢀꢀ
(4)；
[0076]
式(4)中，un表示n个n型半导体并联后的总电压，αn表示每个p型半导体热导率；
[0077]
(3)并联后的p型半导体3的总阻值为r
p
，即：
[0078][0079]
式(5)中，r
p
表示m个p型半导体并联后的总电阻，s表示每个p型半导体的横截面
积；
[0080]
(4)并联后n型半导体的总电阻阻值为rn，即：
[0081][0082]
式(6)中，rn表示n个n型半导体并联后的总电阻；
[0083]
(5)由p型半导体3和n型半导体4电流相等，初步判断m和n的数量关系。
[0084]
步骤3，如图3所示，确定i的大小，基于热阻网络计算热电半导体的热端温度th和冷端温度tc；由于铜电极热导率较高，忽略铜电极热传导过程中的温度变化，即热电半导体热端温度th和冷端温度tc等于相应铜电极的表面温度；根据初步得到的在边界条件下，计算p型半导体与n型半导体总电压，进而确定流过p型半导体与n型半导体的总电流，具体步骤为：
[0085]
(1)若i
p
＜in，则p型半导体的个数应为m+i，n型半导体的个数应为n-i，否则p型半导体个数为m-i，n型半导体的个数为n+i；
[0086]
(2)计算i＝0时流过p型半导体中的电流大小i
p(0)
及流过n型半导体中的电流判断是否满足若满足条件，则i＝i+1，返回重新计算堆垛式热电器件中p型半导体内流过的电流i
p(1)
与n型半导体内流过的电流i
n(1)
，再次判断是否满足i
p(1)
＜i
n(1)
，重复该循环直到i
p(i)
≥i
n(i)
；若则i＝i+1，重复上述步骤直至i
p(i
)≤i
n(i)
，停止循环，最后可得p型半导体与n型半导体的最优个数比为若直接停止循环，即为最优个数比，其中m、n、i均为正整数；
[0087]
(3)确定某一n型半导体个数下p型半导体的最优个数，即：当n型半导体的个数取为的a倍时，相应的，p型半导体的个数取为m
±
i的a倍，在四舍五入后保留其整数部分，所得p型半导体个数即为当前n型半导体个数下的最优个数，其中a为某一系数。
[0088]
本实施例所使用的p型半导体和n型半导体使用的热电材料为bisbtese基材料，bisbtese基p型和n型半导体的热电材料参数在表1中列出。
[0089]
表1 bisbtese基p型半导体和n型半导体的热电材料参数
[0090][0091][0092]
另外，各组分相关尺寸参数及其他参数在表2中列出。
[0093]
表2半导体参数及其他参数
[0094][0095]
由计算得p型半导体与n型半导体的电阻率的积分中值和分别为，分别为，即因此p型半导体个数应大于n型半导体个数，计算得m＝43，n＝41。
[0096]
用所得m，n再次计算i
p
和in，发现仍有i
p
＜in，于是带入循环进行计算，求得，当i＝2时，满足i
p(2)
≥i
n(2)
条件，停止循环，此时p型半导体与n型半导体的总电流最为接近，当并联的n型半导体个数为13时，所对应的并联的p型半导体的最优个数为15；该结构可对对传统结构优化进行指导，从而让输出性能达到最优。

技术特征：
1.一种由p型、n型半导体构成的堆垛式热电器件，其特征在于包括：上层陶瓷板(1)、下层陶瓷板(1’)；位于上层的第一金属电极(2.1)，位于下层一侧的第二金属电极(2.2)，位于下层另一侧的第三金属电极(2.3)；所述第一金属电极(2.1)与第二金属电极(2.2)之间分布有多个p型半导体(3)，多个p型半导体(3)上端面连接第一金属电极(2.1)一侧底面；多个p型半导体(3)底面连接第二金属电极(2.2)上端面；所述第一金属电极(2.1)与第三金属电极(2.3)之间分布有多个n型半导体(4)，多个n型半导体(4)上端面连接第一金属电极(2.1)另一侧底面；多个n型半导体(4)底面连接第三金属电极(2.3)上端面；所述第一金属电极(2.1)上端面连接上层陶瓷板(1)底面；所述第二金属电极(2.2)底面、第三金属电极(2.3)底面均连接下层陶瓷板(1’)上端面。2.根据权利要求1所述一种由p型、n型半导体构成的堆垛式热电器件，其特征在于：根据p型半导体(3)和n型半导体(4)的排列方向，分为x轴方向，y轴方向以及z轴方向三个方向，其中：x轴方向上含有m
±
i个p型半导体(3)和个n型半导体(4)，每个p型半导体(3)以及每个n型半导体(4)长度均为l0,且相邻两半导体之间的间距为l1；y轴方向上，p型半导体(3)个数与n型半导体(4)个数均为m+n，宽度均为l0，相邻两半导体之间的间距为l1；z轴方向上，所述陶瓷板、所述金属电极、所述半导体的高度分别为h1、h2、h3。3.根据权利要求2所述一种由p型、n型半导体构成的堆垛式热电器件，其特征在于：所述p型半导体(3)为(m
±
i)*(m+n)个，n型半导体(4)为个，其中：m，n分别表示x轴方向上的p型半导体(3)和n型半导体(4)的初始个数，i表示x轴方向上的p型半导体(3)和n型半导体(4)的变化个数。4.根据权利要求1所述一种由p型、n型半导体构成的堆垛式热电器件，其特征在于：所述p型半导体(3)的下层第一金属电极(2.1)的x轴方向上长度为(m
±
i)l0+(m
±
i-1)l1；n型半导体(4)的下层第二金属电极(2.2)的x轴方向上长度为n型半导体(4)的下层第二金属电极(2.2)的x轴方向上长度为连接p型半导体(3)和n型半导体(4)的上层第一金属电极(2.1)的x轴方向上长度为(m+n)l0+(m+n-1)l1。5.根据权利要求1所述一种由p型、n型半导体构成的堆垛式热电器件，其特征在于：所述陶瓷板、金属电极在y轴方向上的长度和x轴方向上的长度一致，均为：(m+n)l0+(m+n-1)l1。6.根据权利要求1所述一种由p型、n型半导体构成的堆垛式热电器件，其特征在于：所述第一金属电极(2.1)、第二金属电极(2.2)、第三金属电极(2.3)均为铜电极。7.堆垛式热电器件参数确定方法，其特征在于：计算单个p型半导体(3)和n型半导体(4)的电阻率积分中值和确立陶瓷板、p型半导体(3)和n型半导体(4)、金属电极以及负载电阻的边界条件，由p型半导体(3)、n型半导体(4)电流相等，初步确定p型半导体
(3)、n型半导体(4)个数的最简分式，即其中：m和n均为正整数，若则m>n；若则m<n；若则m＝n。8.根据权利要求7所述堆垛式热电器件参数确定方法，其特征在于：记最简分式中的m和n为p型半导体(3)和n型半导体(4)的初始个数，进一步确定两种半导体的最优个数比；step1:若i
p
<i
n
，则p型半导体(3)的个数应为m+i，n型半导体(4)的个数应为n-i,否则p型半导体(3)个数为m-i，n型半导体(4)的个数为n+i；step2:计算＝0时,流过p型半导体(3)中的电流大小i
p(0)
、流过n型半导体(4)中的电流判断是否满足若满足条件，则i＝i+1，返回重新计算堆垛式热电器件中p型半导体(3)内流过的电流i
p(1)
与n型半导体(4)内流过的电流i
n(1)
；step3:再次判断是否满足i
p(1)
<i
n(1)
，重复该循环直到i
p(i)
≥i
n(i)
；若则＝i+1，重复上述步骤直至i
p(i)
≤i
n(i)
，停止循环；step4:最后，可得p型半导体(3)与n型半导体(4)的最优个数比为step5:若直接停止循环，即为最优个数比，其中：m、n、i均为正整数。9.根据权利要求8所述堆垛式热电器件参数确定方法，其特征在于：确定某一n型半导体(4)个数下p型半导体(3)的最优个数:即每当n型半导体(4)的个数变为的a倍时，相应的，p型半导体(3)的个数也变为m
±
i的a倍，在四舍五入后保留整数部分，得到的p型半导体(3)个数为当前n型半导体(4)个数下的最优个数，其中：a为任意正整数。10.根据权利要求9所述堆垛式热电器件参数确定方法，其特征在于：温度边界条件设置为：下层陶瓷板(1’)底面设置为高温边界，上层陶瓷板(1)顶面设置为低温边界；所述电流边界条件设置为：p型半导体(3)侧的下层第二金属电极(2.2)的左侧端面设置为电接触，n型半导体(4)侧的下层第三金属电极(2.3)的右侧端面设置为接地。

技术总结
一种由P型、N型半导体构成的堆垛式热电器件及其参数确定方法，堆垛式热电器件包括上层陶瓷板、下层陶瓷板；位于上层的第一金属电极，位于下层一侧的第二金属电极，位于下层另一侧的第三金属电极；第一金属电极与第二金属电极之间分布有多个P型半导体；第一金属电极与第三金属电极之间分布有多个N型半导体；第一金属电极上端面连接上层陶瓷板底面；第二金属电极底面、第三金属电极底面均连接下层陶瓷板上端面。本发明通过改变并联的P型半导体个数与并联的N型半导体个数使流过两者中的电流相等，进而获得最大输出功率。同时本发明将通过数值求解的方式提供堆垛式热电器件参数确定方法，确定并联所需的P型半导体与N型半导体的最简个数比。最简个数比。最简个数比。


技术研发人员：罗丁 刘泽瑞 杨学林
受保护的技术使用者：三峡大学
技术研发日：2023.03.16
技术公布日：2023/7/31