研究表明，热电模块可以通过塞贝克效应直接将热量转化为电能。由于结构紧凑、可靠性高且无振动，这些固态模块在发电应用中具有广阔的前景。在过去的二十年中，高性能热电材料的发展令人瞩目。然而，制造高效稳定的热电模块的进展仍然缓慢。
热电模块制造关键依赖于设计两个高质量的组件：半导体-金属界面（热电材料和金属化层之间的接触界面）和金属-金属接触（电极和金属化层之间的键合界面）。
设计这些组件以最大程度地减少阻抗和热阻引起的不可逆损耗至关重要，并且它们应具有机械坚固性以承受任何潜在的外部负载。为了保持组件的长期稳定性，必须匹配多层材料的热膨胀系数（CTE）。
此外，防止不同材料之间的元素扩散至关重要。过高的焊接温度会使热电材料的性能恶化，并可能降低其机械性能（例如PbTe和GeTe在高温下的软化）。
更加重要的是，由材料之间的CTE差异引起的焊接残余热应力将是不利的，随着热侧温度的升高，解决这些问题变得越来越困难。因此，针对特定的热侧温度开发不同材料的热电模块需要付出巨大的努力。
为了促进各种工作温度范围的热电模块的开发，哈尔滨工业大学深圳研究生院张倩教授，毛俊教授和李明雨教授，美国休斯顿大学任志锋教授采用了银纳米颗粒（Ag NPs）进行界面设计。
得益于Ag NPs的低熔点，本文在~573 K的极低温度下成功制备了基于PbTe的模块。由于Ag NPs的烧结高度稳定，因此基于PbTe的模块可以在~823 K的高温下可靠地运行。
实验结果表明，作者实现了~11%的高热电转换效率，并且在593和793 K的热侧温度之间经过50次热循环后保持了出色的稳定性。另外通过将Ag NPs作为制备低温Bi2Te3基和高温半休氏勒合金（HH）基模块的填料，证明了这种方法可以普遍应用。
相关文章以“Low-temperature sintering of Ag nanoparticles for high-performance thermoelectric module design”为题发表在Nature Energy上。
焊接工艺对于实现具有低不可逆损耗的稳定界面至关重要。其中，制造中高温模块时，最高焊接温度（Tweld）的填料通常比设计的热侧温度（Twork）的模块高100-300K。
然而，这种加热可能导致材料的热电性能明显下降。在这方面，所使用的填料应该能够在非常低的温度下粘合金属（即具有低熔点Tm），但在高温下保持稳定（即具有较高的使用温度）。
传统填料无法满足这一要求，它们的使用温度（Twork）线性取决于它们的 Tm。为了减少焊接过程中电子设备的损耗，并满足高密度功率器件的苛刻服务要求，为工业应用开发了各种新的连接技术。
其中，低温烧结Ag NPs技术引起了极大的兴趣，并已用于制造宽带隙器件，例如包含SiC和GaN的器件。
然而，其在热电器件中的实用性和可靠性尚未在以前的研究中得到系统的验证。由于缺乏验证，热电领域的研究人员未能实现Ag NPs在低焊接温度和高工作温度的独特优势，这在热电器件的设计中至关重要。
作者使用Ag NPs作为填料，在573K的温度下，制造基于PbTe的热电模块，可在823 K下工作。如图1c所示，基于PbTe的热电模块热电转换效率为11%。
同时，使用Ag NPs作为填料所产生的界面连接也确保了模块优异的稳定性和可靠性，通过在593和793 K热侧温度之间的50个热循环中观察到的稳定的功率输出和转换效率得到验证（图1d）。
为了证明Ag NPs对其他热电材料的适用性，还制备了Bi2Te3（最大效率为~5.3%）和HH（最大效率为~8.6%）模块（图1c）。
总之，在热电模块设计中，该工艺大大简化了模块制备，最大限度地减少了焊接热循环对模块性能的影响，并进一步提高了模块效率。已被用于演示基于PbTe的模块，通过低温烧结以及连接层和热电材料之间电气和机械性能的双重匹配来实现高效率和出色的热循环性能。
更重要的是，这种低温Ag NPs烧结也被应用于Bi2Te3基和HH基模块的制造，证明了该技术的普遍性。因此，本文的研究表明，Ag NPs可以应用于其他热电材料的模块制造，从而极大地促进了先进的热电发电装置的发展。
Yin, L., Yang, F., Bao, X. et al. Low-temperature sintering of Ag nanoparticles for high-performance thermoelectric module design. Nat Energy (2023). https://doi.org/10.1038/s41560-023-01245-4
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