Junctions and diffusion barriers for high temperature thermoelectric modules

• Autorzy: Zybała R. , Wojciechowski K. T. , Schmidt M , Mania R.

Warianty tytułu

PL

Złącza i bariery dyfuzyjne do wysokotemperaturowych modułów termoelektrycznych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Thermoelectric modules based on doped bismuth telluride (Bi2Te3) are commonly used for the construction of thermoelectric generators (TEGs) and heat pumps. However, due to low operating temperature (< 200oC), TEGs based on this material reveal low efficiency. In order to obtain high effectiveness in energy conversion, one needs to design high temperature modules made of new thermoelectric materials. The goal of the present work has been to develop the method of preparation of ohmic junctions between semiconducting CoSb3 element and metallic Cu electrode, for temperatures up to 600oC. In order to protect thermoelectric material from interaction with a solder and the electrode material, the appropriate diffusion barriers were applied. The junctions were formed by the resistance soldering technique in the protective atmosphere of Ar + H2. Lead-free alloys based on Ag and Cu were used as the solder. Diffusion layers of Ni were prepared via the magnetron sputtering technique. The chemical and microstructural properties of the junction area were analyzed by scanning electron microscope (SEM) equipped with EDX analyzer. Resistivity measurements and current–voltage characteristics were used to determine the contact resistance and ohmic contact quality between the metal and the semiconductor. Other physico-thermal properties, such as thermal expansion, were also characterized.

PL

Moduły termoelektryczne oparte na tellurku bizmutu (Bi2Te3) używane są powszechnie przy konstruowaniu generatorów termoelektrycznych (TEGs) i pomp ciepła. Jednakże, z powodu niskiej temperatury pracy (< 200oC), generatory termoelektryczne wykorzystujące ten materiał wykazują małą sprawność. Aby uzyskać wyższą wydajność konwersji energii potrzebne jest opracowanie wysokotemperaturowych modułów wykonanych z nowych materiałów termoelektrycznych. Celem prezentowanej pracy było opracowanie metody wytwarzania omowego złącza pomiędzy półprzewodzącym elementem CoSb3 i elektrodą metalową Cu przeznaczonego do pracy w temperaturach aż do 600oC. Odpowiednia bariera dyfuzyjna została zastosowana, aby chronić materiał termoelektryczny przed wzajemnym oddziaływaniem z lutem i materiałem elektrody. Złącza wykonano za pomocą techniki lutowania oporowego w ochronnej atmosferze Ar + H2. Jako lut wykorzystano stopy bezołowiowe oparte na Ag i Cu. Warstwy dyfuzyjne Ni naniesiono techniką rozpylania magnetronowego. Właściwości chemiczne i mikrostrukturalne analizowano za pomocą elektronowego mikroskopu skaningowego (SEM) wyposażonego w analizator EDX. Pomiary rezystywności i charakterystykę prądowo-napięciową wykorzystano, aby określić oporność kontaktową i omową jakość kontaktu pomiędzy metalem i półprzewodnikiem. Scharakteryzowano także inne właściwości fizyko-chemiczne, takie jak rozszerzalność cieplna.

Słowa kluczowe

EN

thermoelectric power; CoSb3; interfacial reaction; resistance soldering

PL

energia termoelektryczna; CoSb3; reakcja międzyfazowa; lutowanie oporowe

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Ceramiczne
• Czasopismo: Materiały Ceramiczne
• Rocznik: 2010
• Tom: T. 62, nr 4
• Strony: 481--485
• Opis fizyczny: Bibliogr. 10 poz., rys., wykr.

Twórcy

autor

Zybała R.

autor

Wojciechowski K. T.

autor

Schmidt M

autor

Mania R.

• AGH University of Science and Technology, Faculty of Materials Science and Ceramics, Department of Inorganic Chemistry, Kraków, Poland,

Bibliografia

• 1. Bandhari C.M., Rowe D.M.: CRC Handbook of thermoelectrics, CRC Press, Boca Raton, (1995).
• 2. Rowe D.M.: „Renew”, Energy, 16, (1999), 1251–1255.
• 3. Wojciechowski K.T., Tobola J., Leszczyński J.: „Thermoelectric properties and electronic structure of CoSb3 doped with Se and Te”, J. Alloy. Compd., 361, (2003), 19–27
• 4. Sales B.C., Mandrus D., Willams R.K.: „Filled skutterudite antimonides: a new class of thermoelectric materials”, Science, 272, (1996), 1325–1328.
• 5. Nolas G.S., Cohn J.L., Slack G.A.: „Effect of partial void filling on the lattice thermal conductivity of skutterudites”, Phys Rev B, 58, (1998), 164–167.
• 6. Mondt J., Johnson K., Fleurial J-P., El-Genk MS., Frye P., Determan B.W.: „Segmented thermoelectric multicouple converter technology development” In: El-Genk MS, editor. Proc space technology and applications international forum (STAIF-2005), AIP conference proceedings no. 746. Melville, NY: American Institute of Physics,(2005), 495–502.
• 7. Fan J.F., Chen L.D., Bai S.Q., Shi X.: „Joining of Mo to CoSb3 by spark plasma sintering by inserting a Ti interlayer”, Mater. Lett., 58, (2004), 3876-3878.
• 8. Zhao D.G., Li X.Y., Jiang W., Chen L.D.: „High temperature reliability evaluation of CoSb3/electrode thermoelectric joints”, Intermetallics, 17, (2009), 136–141.
• 9. Zhao D.G., Li X.Y., Jiang W., Chen L.D.: „Interfacial evolution behaviour and reliability evaluation of CoSb3/Ti/Mo–Cu thermoelectric joints during accelerated thermal aging”, J. Alloy. Compd., 477, (2009), 425–431.
• 10. Luo H-T., Chen S-W.: „Phase equilibria of the ternary Ag-Cu-Ni system and the interfacial reactions in the Ag-Cu/Ni couples”, J. Mater. Sci., 31, (1996), 5059-5067.