2014年02月12日08:33
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松下開發(fā)出了熱電轉(zhuǎn)換元件的新制造技術(shù)。雖然材料使用的是熱電轉(zhuǎn)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，制成熱電轉(zhuǎn)換模塊后，與使用傳統(tǒng)方法制成的同等性能的產(chǎn)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(fā)的π型熱電轉(zhuǎn)換模塊
照片左側(cè)為新開發(fā)的試制品。與以往的普通模塊（照片右側(cè)）相比，以1/4的面積即可實(shí)現(xiàn)相同的發(fā)電能力，高度也降至原產(chǎn)品的1/3左右，可實(shí)現(xiàn)小型、薄型化。
以配置256個(gè)元件的20mm見方、1.2mm高的試制模塊為例，約100℃的溫差可獲得1W左右的電力。而且，加工時(shí)的材料浪費(fèi)也很少，能把材料成本降到1/3，這也是新制法的一個(gè)特點(diǎn)。
為了在2014年度內(nèi)使該技術(shù)形成業(yè)務(wù)，松下已開始進(jìn)行實(shí)證試驗(yàn)，在自己的工廠里設(shè)置了這種熱電轉(zhuǎn)換模塊，將其用作目視檢查用照明電力來源。
利用極細(xì)的玻璃管生成晶體
松下開發(fā)新制法的原因是，“通過開發(fā)全新的材料來提高發(fā)電性能、降低成本非常困難。因此，首先就著眼于形狀開發(fā)了新制法，由此提高了性能”（松下制造本部熱電轉(zhuǎn)換項(xiàng)目高級(jí)工程師前島聰）。
普通的π型熱電轉(zhuǎn)換模塊是在陶瓷基板上大量串聯(lián)采用Bi-Te類材料的很小的熱電轉(zhuǎn)換元件來獲得電動(dòng)勢。而松下采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(fā)電量。
新制法是將Bi-Te類材料加熱到600℃左右進(jìn)行熔融攪拌，然后再吸到直徑0.8mm、長250mm的極細(xì)耐熱玻璃管中進(jìn)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，于此同時(shí)將其上拉升，從而使玻璃管中的材料凝固（圖3）。凝固后，把每個(gè)玻璃管中的Bi-Te類晶體材料切成薄片，并加工成元件，然后安裝到基板上串聯(lián)起來。
圖2：熱電轉(zhuǎn)換元件的制法
對(duì)Bi-Te類材料進(jìn)行熔融攪拌后，吸入玻璃管中，邊上拉玻璃管邊冷卻。連同玻璃管一起切割，制造元件。
圖3：制造裝置的冷卻部
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(zhuǎn)換模塊為了確保強(qiáng)度，必須使用陶瓷基板，而采用新制法制作的元件被玻璃包覆，不易破損，使基板的自由度也更高。實(shí)際上，圖1的試制品就是在采用聚酰亞胺的3層柔性基板上利用貼片機(jī)安裝了元件。
普通的π型熱電轉(zhuǎn)換模塊的元件是把利用區(qū)熔法＊1制作的Bi-Te類晶體材料的鑄錠切割成正方體制造而成的。但該方法只能在有限的范圍內(nèi)削減元件尺寸。因?yàn)锽i-Te類材料的解理性高，所以難以切割成小尺寸。而且，切割時(shí)需要三次切削，材料損耗多，成品率低。據(jù)介紹，75%的材料都會(huì)變成粉末。
＊1 區(qū)熔法：對(duì)鑄錠的局部進(jìn)行帶狀加熱使之融化，然后移動(dòng)融化部分，使雜質(zhì)集中到融化部分以獲得高純度材料的方法。
新制法不但元件小，而且只需沿著與玻璃管的軸垂直的方向切割一次即可制造出元件，因此材料損耗少。另外，因?yàn)橛胁ＡПＷo(hù)，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(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)。
此外，松下還改進(jìn)了材料的組成。為了獲得更大的電動(dòng)勢，運(yùn)用第一性原理計(jì)算＊2進(jìn)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(chǔ)，根據(jù)使用溫度范圍設(shè)計(jì)了材料。
＊2 第一性原理計(jì)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(xué)原理為基礎(chǔ)，計(jì)算物質(zhì)特性等的方法。
一次處理16根玻璃管
實(shí)現(xiàn)以極細(xì)的玻璃管為單位制作元件這種新創(chuàng)意主要得益于以下兩點(diǎn)。
一是對(duì)于晶體生長的控制。這種制法是使晶體沿玻璃管的軸向生長，為此，必須要嚴(yán)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(yīng)具有各向異性，在晶體的生長方向形成溫差能發(fā)揮更高的電動(dòng)勢。溫差相同時(shí)，晶體生長方向的發(fā)電能力高達(dá)垂直方向的2.4倍左右。
另一點(diǎn)是生產(chǎn)效率的提高。因?yàn)榍懈钜桓ＡЧ苤荒苤圃煲粋�(gè)元件，生產(chǎn)效率較差。
因此，松下開發(fā)出了可優(yōu)化上拉速度和冷卻效果的專用制造裝置。由此控制了元件的結(jié)晶狀態(tài)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(chǎn)能就有望達(dá)到1萬模塊/月。為了實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)化，“目標(biāo)是把成本降到數(shù)百日元”（前島）。
將來還可用于車載用途
對(duì)于這種技術(shù)的應(yīng)用，松下目前瞄準(zhǔn)的是在100℃左右低溫區(qū)域工作的發(fā)電器件。前島表示，“打算作為能量采集的關(guān)鍵技術(shù)之一擴(kuò)大影響力，用于傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的局部分散型電源用途”。
不過，將來還打算用于300～500℃的高溫區(qū)域，松下寄予厚望的是車載領(lǐng)域。由于可實(shí)現(xiàn)小而薄的熱電轉(zhuǎn)換模塊，因此對(duì)配備空間有限的汽車來說非常理想。關(guān)于耐振動(dòng)和耐沖擊性能，試制品已經(jīng)通過了該公司的車載產(chǎn)品試驗(yàn)，今后將測評(píng)耐高溫性等，探索作為車載元件的可能性。除此之外，還設(shè)想用于工廠的廢熱再利用用途等。
松下正在為了將新技術(shù)用于高溫領(lǐng)域而推進(jìn)材料開發(fā)。面向低溫區(qū)域可以使用Bi-Te類材料，但在高溫區(qū)域就必須使用其他材料。
鉛（Pb）-Te類材料被視為高溫區(qū)域的有力候選，不過松下為了減輕對(duì)環(huán)境的負(fù)荷，正在和大學(xué)共同開發(fā)不使用鉛的新材料�！坝�(jì)劃用于發(fā)電量為KW、MW級(jí)的高溫區(qū)域”（前島）。（作者：吉田 勝，日經(jīng)技術(shù)在線！供稿）
