第二章 文獻回顧
2.2 熱電元件模組與應用
由於單一熱電元件所能提供的轉換功率有限，因此想要得到較高熱電轉 換功率的話，就必頇利用金屬電極將每個熱電接腳串聯起來。一般典型的熱 電元件模組是經由 N-type 和 P-type 兩種型態的熱電材料與金屬電極依序進 行串聯接合，在整體金屬電極外側與陶瓷基板接合，整體熱電模組結構如圖 2-6 所示【6】，接著透過陶瓷基板兩個外側分別供給熱端與冷端，即可達到 熱電產電或致冷的效果。
圖 2-6 熱電元件模組示意圖【6】
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2.2.2 元件模組應用
早期學者研究中，為了讓熱電元件模組擁有較大溫度差，使得工作溫度 範圍更加廣泛，並且進而提高熱電優值 ZT。如 Guiying 等人【17】的研究 中，使用(Bi0.15Sb0.85)2Te3-PbTe 分段式梯度結構熱電材料(簡稱 GTM)進行接 合，接合過程中配合著 Fe、Ni 和 Mg 等擴散阻障層，並且進行退火測詴 GTM 搭配各擴散阻障層之導電率、熱電優值和功率因子等性質。最後於研究中結 果發現，Fe 擴散阻障層在接合過程中向外擴散的現象較少於其他兩者，並 且 GTM 搭配 Fe 擴散阻障層於退火前後都擁有較高熱電特性。而研究中指 出，此種梯度結構熱電模組突破傳統單層熱電元件模組該有的工作範圍限制，
莊東漢教授等人的研究也設計出三層低中高溫的熱電元件模組如圖 2-7 所示，
可以使熱電整體有效率的發揮其轉換功能【8】。
圖 2-7 堆疊型熱電元件模組圖【8】
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熱電元件模組隨著配合不同產業應用上也有多種型態，更基於熱電元件 模組而開發出相關設備。在家庭廢熱運用上之研究，於 Qiu 等人【18】的研 究發表中，他們將一發電功率 550W 之熱電模組整合進入燃油爐，其結構如 圖 2-8 所示。透過冷熱兩壁之間 552.5℃的溫度差產生電能，可使住宅中透 過燃料燃燒的暖氣系統能夠達到自我供電，並且也能夠將多餘的電能轉換傳 輸給其他電器使用。
圖 2-8 自供電熱電暖器系統結構圖與設備圖【18】
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在微機電製程技術製作熱電元件模組中，德國的 Micropelt 公司利用微 機電技術結合半導體製程，成為全球首例於矽晶圓上用微機電技術製作熱電 晶片，製程中以濺鍍方式沉積碲化鉍化合物，再透過微機電技術微影蝕刻等 步驟製作出數百對的 P/N 熱電材料接腳，最後將其封裝成模組，模組之內部 構造如圖 2-9 所示【19】。除此之外，Syuan 等人【20】也以微機電製程方式，
製作出 碲化 鉍合 金 熱電薄 膜發 電器 ， 並於研 究中 指出 ， 當 熱蒸 鍍鍍率 (n-BiTeSe 鍍率 3 Å /s 與 p-BiSbTe 鍍率 12 Å /s)擁有較好的輸出電壓、輸出電 流與功率。最特別的是，此研究中熱電元件模組設計不同於市面上方形陣列 形式的熱電元件模組，它是呈現出圓環狀的熱電材料串聯方式，並且設計出 可撓式的熱電薄膜如圖 2-10 所示。
圖 2-9 Micropelt 公司研發的微型熱電元件內部構造圖【19】
圖 2-10 圓環狀熱電薄膜串聯模組於可撓 PI 基板上之成品圖【20】
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近期熱電模組研究者中，為了使熱電模組能夠配合汽車廢熱回收中應用
，所以 Andreas 等人【21】自製燒結熱電材料之模具，燒結出不同於目前商 用的熱電材料形貌，一般商用熱電通常是以帄面結構為主，但此研究中燒結 出管狀的 PbTe 熱電材料，並且進一步切割這管狀熱電材料，將其裝配成四 對 p-n 接腳的熱電模組，研究中組裝完成的熱電模組之截面圖與成品如圖 2-11 所示。此種自製模具燒結出的管狀熱電材料好處，能夠一次性的製作出 所需要的管狀熱電材料，進而減少由圓片型熱電材料剪切過程所造成的材料 浪費與縮短製程步驟，也能夠在汽車廢熱回收中能夠有很好的應用。
圖 2-11 結管狀熱電模組之截面圖與成品圖【21】
綜合各熱電元件模組發展，初始是以基礎的單層橋狀式結構或利用不同 溫度堆疊結構以達到更大的溫度差，後續的發展則配合廢熱源的環境而設計 出環狀或中空管狀等模組形式。因此可以發現熱電模組必需因應熱源產生之 外部環境而去設計，所以在不同領域上的熱電模組將以不同形狀結構呈現。
17 能產生 350 mW。除此之外，Yamashita 等人【23】分別使用熱壓法成形的 p-(Bi0.25Sb0.75)2Te3與 n-Bi2(Te0.94Se0.06)3的熱電材料，進行銅電極-半導體熱電 材料-金屬電極連接，並且於溫度 298 K 至 430 K 範圍之間，利用鎳鋁-鎳鉻 合金當作熱電偶的電極進行 Seebeck 係數量測，構造如圖 2-13 所示。其實驗 過程搭配不同金屬電極與熱電材料連接，當假設外部電阻 R=0 與溫度差為 6