高效热电材料与器件制备新技术及太阳能热电-光电复合发电系统.doc

技术发明奖公示材料1. 项目名称：高效热电材料与器件制备新技术及太阳能热电-光电复合发电系统2. 推荐单位：教育部3. 项目简介：热电材料是我国和国际上高度重视发展的太阳能全光谱高效发电和工业余热热电发电等前瞻性、战略性新能源技术的关键材料。利用热电材料和光电材料分别对太阳能的红外光进行热电转换和紫外-可见光进行光电转换，建立太阳能热电-光电复合发电新模式，将开辟太阳能全光谱高效发电的新途径。利用热电材料对工业废热进行热电发电回收利用，对我国循环经济发展具有重大意义。我国每年排放工业废热超过十万亿千瓦时，约占我国能源消耗总量的50%，其中约60%的废热是温度在200500的低密度分布式余热、非常适合热电发电回收利用。但是高性能热电材料及器件技术发展缓慢，成为制约这些重要新能源技术发展的重大瓶颈。传统技术规模化制备的热电材料热电性能ZT值只有0.81.0，器件效率只有34 %，中温无铅热电器件是空白，高性能热电材料的快速制备和高效热电器件的集成制造是国际性难题。美国能源部到2015年的热电材料研究计划目标是规模化制备的材料ZT值达到1.5、器件效率达到10%。本项目取得了如下创新成果：1、在揭示热电材料多尺度复杂微结构对电热协同输运影响规律的基础上，发明了熔体旋甩集成放电等离子体烧结（MS-SPS）的快速非平衡制备新技术，获得了低温和中温两大类10余种高性能热电材料，热电性能提高了3050%，制备周期缩短了80%以上，解决了高性能热电材料高效批量制备国际性难题。批量制备的Bi2Te3低温材料ZT值达到1.56，CoSb3中温无铅材料ZT值达到1.50。2、以高性能CoSb3和Bi2Te3材料为热电转换核心材料，发明了中温热电器件的新型电极与结合技术，解决了制约中温器件发展的界面热稳定性低的难题；发明了中、低温热电器件的型互联及封装一体化集成技术，在国际上率先形成商品化制造中温无铅器件的能力。CoSb3器件效率达8.2%、填补了中温无铅热电器件国际空白，Bi2Te3/CoSb3级联器件效率达10.1%。3、以高效CoSb3和Bi2Te3器件为核心部件，发明了太阳能热电光电复合发电新技术和复合发电系统的集成技术，建立了太阳能红外光热电发电和紫外-可见光光伏发电的分频利用与复合发电新模式，解决了高倍聚光条件下巨大热负荷引起的光伏电池性能劣化的难题。研制出国际首台5kW太阳能复合发电系统，发电效率达21.8%。本项目2004年在国际上第一个发明了MS-SPS制备高性能热电材料的专利技术，获国际热电学会Goldsmid奖2项（每年全世界范围内仅授予1项）。美国能源部已将MS-SPS技术列为热电材料的关键制备技术，目前国际上有10余个著名研究小组利用MS-SPS技术开展高性能热电材料的研究与应用。我国热电领域的领军企业采用本项目发明的MS-SPS技术和热电器件集成制造技术，近3年制备的高性能热电材料达6.15吨、热电致冷和发电系统新产品累计增加销售收入48272.1万元、利润10744.7万元、创汇3145万美元。太阳能热电光电复合发电新技术已列入863计划产业化项目，应用于在青海建设100 kW、1000倍聚光大型太阳能热电光电复合发电系统。本项目成果已获教育部技术发明一等奖1项，国家授权发明专利10项，发表国际期刊论文25篇。4. 主要完成人及技术贡献： 第一完成人：张清杰 武汉理工大学(1) 发明点一和发明点三的主要发明人之一。作为项目负责人，在国家基金委重大国际合作项目“纳米和梯度热电材料与太阳能光电热电风力发电系统”的研究中，提出了发展快速非平衡技术制备高性能纳米结构热电材料的学术思路和太阳能热电光电复合发电的技术创新方案，建立了复合发电系统的优化设计方法及集成技术。(2) 作为首席科学家，组织实施的973项目“高效热电转换材料及器件基础研究”以优秀成绩通过了科技部的验收，其中高性能热电材料快速非平衡制备和太阳能热电光电复合发电系统两个代表性成果是本项目发明点一和发明点三的核心内容。(3) 本项目发明点一和发明点三的7项发明专利中5项发明专利的发明人之一和25篇论文中15篇论文的作者之一。 第二完成人：唐新峰 武汉理工大学(1) 发明点一的主要发明人之一。负责MS-SPS快速非平衡制备高性能热电材料新技术的研发工作，阐明了MS和SPS过程中材料微结构的形成规律，解决了块体热电材料低维结构和纳米复合结构快速可控制备的技术瓶颈，并将MS-SPS技术应用于制备10余种高性能热电材料。(2) 发明点一中6项发明专利的第一发明人和12篇论文的通讯作者。 第三完成人：柏胜强 中国科学院上海硅酸盐研究所(1) 发明点二的主要发明人之一。负责CoSb3基热电器件的结构设计与制造技术的研发，建立了热电器件优化设计的理论模型与方法及电极材料的优选方法，发明了CoSb3热电器件型互联及封装一体化集成技术，发明了AlN陶瓷基板的金属化技术并应用于热电器件，建立了CoSb3/Bi2Te3级联器件的设计与制备方法。(2) 发明点二中2项专利的第五和第六发明人。第四完成人：陈立东 中国科学院上海硅酸盐研究所(1) 发明点二的主要发明人。负责CoSb3基热电器件、Bi2Te3基热电器件和CoSb3/Bi2Te3级联器件研发的总体方案设计和组织实施，指导建立了热电器件优化设计的理论模型与方法和级联组件的设计原理与制备方法，发明了CoSb3基热电器件的电极材料与电极制造技术。(2) 发明点二中2项专利的第一发明人，三篇核心论文的第五作者。第五完成人：曹卫强 广东富信科技股份有限公司(1) 引进武汉理工大学的专利技术纳米晶热电半导体材料的非晶晶化制备方法和高性能碲化铋热电材料的制备方法，组织实施了二项专利技术的产业化工作，吸收并掌握了这些方法的核心技术即熔体旋甩（MS）集成放电等离子体烧结（SPS）快速非平衡制备，解决了产业化过程中生产工艺和装备放大等技术问题。 (2) 附件4论文目录中第13篇论文的第一作者。第六完成人：吴燕青 上海申和热磁电子有限公司(1) 发明点二的发明人之一。负责组织实施Bi2Te3基热电器件和CoSb3基热电器件制造新技术的产业化工作，解决了产业化过程中生产工艺和装备放大等技术问题，发明了陶瓷金属化基板金属表面电镀镍金处理方法及制成的陶瓷金属化基板，并应用于热电发电器件的系列产品，建立了陶瓷金属化基板的批量生产技术和热电器件的批量生产技术。(2) 发明点二的3项专利中1项专利的第二发明人。5. 主要知识产权证明目录：知识产权类别知识产权具体名称国家地区授权号授权日期证书编号权利人发明人授权发明专利纳米晶热电半导体材料的非晶晶化制备方法中国ZL200410013394.02008-05-07395459武汉理工大学唐新峰，宋波，熊聪，刘桃香，张清杰授权发明专利高性能碲化铋热电材料的制备方法中国ZL200610019607.X2009-01-21463417武汉理工大学唐新峰，谢文杰，张清杰授权发明专利一种锑化钴基热电器件的制造方法中国ZL200710044771.02009-08-05534280中国科学院上海硅酸盐研究所陈立东，赵德刚，李小亚，夏绪贵，柏胜强，周燕飞，赵雪盈授权发明专利一种与锑化钴热电元件匹配的合金电极及一步法连接工艺中国ZL200710037778.X2009-10-21562038中国科学院上海硅酸盐研究所陈立东，赵德刚，李小亚，赵雪盈，周燕飞，柏胜强授权发明专利一种仰俯慢跟急回的太阳能二维跟踪装置中国ZL201010521264.32012-07-251016073武汉理工大学李如强，李鹏，易法军，翟鹏程，张清杰授权发明专利一种p型填充式方钴矿化合物热电材料的制备方法中国ZL200910272447.32011-06-08792940武汉理工大学唐新峰，鄢永高，李涵，郭全胜，谭刚健，张清杰授权发明专利一种p型高锰硅热电材料的制备方法中国ZL200910272326.92011-08-31832715武汉理工大学唐新峰，罗文辉，林泽冰，杜保立授权发明专利熔体旋甩结合放电等离子烧结制备碲化银锑热电材料的方法中国ZL201010028933.32011-11-16864314武汉理工大学唐新峰，杜保立，徐静静，罗文辉授权发明专利一种层状纳米结构InSb热电材料的制备方法中国ZL200910272328.82012-01-11896437武汉理工大学唐新峰，苏贤礼，李涵，张清杰授权发明专利陶瓷金属化基板金属