热电材料及其制造方法
【技术领域】
[0001]本公开内容涉及热电转换技术，并且更具体地，涉及具有优异热电转换特性的热电转换材料、其制造方法及其用途。
[0002]本申请要求在韩国于2013年10月17日提交的韩国专利申请N0.10-2013-0124024和于2014年9月30日提交的韩国申请N0.10-2014-0131791的优先权，其公开内容通过引用并入本文。
【背景技术】
[0003]化合物半导体是由至少两种元素构成而不是由一种元素例如硅或锗构成并且用作半导体的化合物。现已经开发出各种类型的化合物半导体并且目前正用于工业的各个领域。通常，化合物半导体可以用于利用珀尔帖效应(Peltier Effect)的热电转换元件、利用光电转换效应的发光器件(例如，发光二极管或激光二极管)、燃料电池等。
[0004]特别地，热电转换元件用于热电转换发电或热电转换冷却应用，并且通常包括串联电连接和并联热连接的N型热电半导体和P型热电半导体。热电转换发电是利用通过在热电转换元件中产生温差所产生的热电动势而将热能转换为电能来发电的方法。另外，热电转换冷却是利用当直流电流经热电转换元件的两端时，在热电转换元件的两端之间产生温差的效应将电能转换为热能而产生冷却的方法。
[0005]热电转换元件的能量转换效率通常取决于热电转换材料的性能指标值或ZT。在此，ZT可以基于塞贝克系数、电导率和热导率来确定，并且随着ZT值增加，热电转换材料的性能更好。
[0006]迄今为止，已经提出了多种热电转换材料，但基本上没有热电转换性能足够高的热电转换材料。特别是，热电转换材料应用于越来越多的领域，并且温度条件可以根据其应用领域而变化。然而，由于热电转换材料可根据温度而具有不同的热电转换性能，所以各热电转换材料需要具有适合于其应用领域的经优化的热电转换性能。然而，还没有提出针对各种温度范围和宽的温度范围具有最优的性能的热电转换材料。
[0007]公开内容
[0008]技术问题
[0009]因此，设计本公开内容以解决上述问题，因此，本公开内容旨在提供在宽的温度范围内具有优异热电转换性能的热电材料、其制造方法及其用途。
[0010]可以根据下面的详细描述理解本公开内容的这些和其他的目的和优点，并且根据本公开内容的示例性实施方案，本公开内容的这些和其他的目的和优点将变得更加明显。另外，将容易理解的是，本公开内容的目的和优点可以通过在所附的权利要求中所示的手段及其组合来实现。
[0011]技术方案
[0012]对热电材料进行反复研究之后，本公开内容的发明人成功地合成了由化学式I表示的热电材料，并且发现该热电转换材料可以具有优异的热电转换性能。
[0013]〈化学式1>
[0014]CuxSe1-yQy
[0015]在化学式I中，Q为选自S和Te的至少一种元素，2〈x < 2.6并且0〈y〈l。
[0016]在化学式I中，X可满足条件2.2。
[0017]在化学式I中，X可满足条件2.1。
[0018]在化学式I中，X可满足条件2.025 <x。
[0019]在化学式I中，y可满足条件y〈0.1。
[0020]在化学式I中，y可满足条件0.05。
[0021]另一方面，本公开内容还提供了一种用于制造热电材料的方法，该方法包括通过根据化学式I对Cu、Se和Q进行称重并且混合来形成混合物；以及对该混合物进行热处理以合成由化学式I表示的化合物。
[0022]在此，根据本公开内容的用于制造热电材料的方法还可以包括在进行化合物形成步骤之后，对该化合物进行加压烧结。
[0023]此外，可以借助热压或放电等离子体烧结(spark plasma sintering)进行加压烧结步骤。
[0024]另外，为了实现上述目的，根据本公开内容的热电转换元件包含根据本公开内容的热电材料。
[0025]另外，为了实现上述目的，根据本公开内容的热电发电机包含根据本公开内容的热电材料。
[0026]有益效果
[0027]根据本公开内容，可以提供具有优异的热电转换性能的热电材料。
[0028]具体地，根据本公开内容的一个方面的热电材料可以在50°C至500 0C的宽的中低温度范围内具有低的热扩散率、低的晶格热导率、高的塞贝克系数和高的ZT值。
[0029]因此，根据本公开内容的热电材料可以替代常规的热电材料，或者可以用作与常规的热电材料结合的另一材料。
[0030]此外，与现有的热电材料相比，根据本公开内容的热电材料可以在低于500°C的温度下，更进一步在约200°C的低温下保持高ZT值。因此，在用于发电的热电装置中使用时，根据本公开内容的热电材料即使暴露于相对低的温度下，该材料也可以确保稳定的热电转换性能。
[0031]另外，根据本公开内容的热电材料可以用于太阳能电池、红外(IR)窗、IR传感器、磁设备、存储器等。
【附图说明】
[0032]附图示出了本公开内容的一个优选实施方案，并且附图与前述公开内容一起用于提供对本公开内容的技术精神的进一步理解，并且因此，本公开内容不应解释为受限于附图。
[0033]图1是示出根据本公开内容一个实施方案的制造化合物半导体的方法的示意性流程图。
[0034]图2是示出根据本公开内容的几个实施方案的热电材料的XRD分析结果的图。
[0035]图3是图2的部分A的放大图。
[0036]图4是比较性地示出根据本公开内容的实施例和比较例制备的热电材料的基于温度的热扩散率测量结果的图。
[0037]图5是比较性地示出根据本公开内容的实施例和比较例制备的热电材料的基于温度的塞贝克系数测量结果的图。
[0038]图6是比较性地示出根据本公开内容的实施例和比较例制备的热电材料的基于温度的晶格热导率测量结果的图。
[0039]图7是比较性地示出根据本公开内容的实施例和比较例制备的热电材料的基于温度的ZT值测量结果的图。
【具体实施方式】
[0040]下文中，将参照附图详细地描述本公开内容的优选实施方案。在描述之前，应理解，在说明书和所附权利要求中使用的术语不应解释为受限于一般含义和字典含义，而应基于使发明人能够适当定义术语以做出最佳说明的原则根据与本公开内容的技术方面相对应的含义和概念来解释。
[0041]因此，本文中提出的描述只是仅用于举例说明的优选实施例，而非旨在限制本公开内容的范围，所以应理解，在不脱离本公开内容的精神和范围的情况下可以对其进行其他等价替换和修改。
[0042]根据本公开内容一个实施方案的热电材料可由以下化学式I表示。
[0043]〈化学式1>
[0044]CuxSe1-yQy
[0045]在化学式I中，Q为选自S和Te的至少一种元素，2〈x < 2.6并且0〈y〈l。
[0046]首先，根据本公开内容的热电材料被构造成使得Se被Cu和/或Se部分取代。也就是说，在根据本公开内容的热电材料中，Cu_Se基热电材料中的一些Se位点可能不足，并且这些不足位点可能被S和/或Te取代。另外，由于上述组成特性，根据本公开内容的热电材料可具有与常规Cu-Se基热电材料相比进一步改善的热电转换性能。
[0047]另外，根据本公开内容的热电材料为包含Cu和Se的Cu-Se基热电材料，其中X大于2。
[0048]优选地，化学式I可满足条件2.2。特别地，化学式I可满足条件x〈2.2。
[0049]更优选地，在化学式I中，本公开内容的热电材料可满足条件X<2.15。
[0050]特别地，化学式I可满足条件X<2.10