印刷式熱電材料製程技術

刊登日期:2016/9/5
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19世紀後工業發展快速,累積大量的碳排放量造成全球溫室效應問題日益嚴重。近年來,減碳議題衍生之綠色能源變成全球重要的議題之一。熱電材料具有將工業生產上之廢熱轉換成電能的優勢,且逐漸受到重視。若能有效開發印刷式熱電製程技術,將可創造低成本、大面積多元形狀應用且客製化模組。此外,印刷熱電材料因其高可撓、好操作之特性,能使熱電元件直接接觸熱源,很適合作為低溫差之能源擷取的熱電發電器。
 
熱電發電技術於廢熱回收現況
近年來,熱電技術在工業廢熱及車輛廢熱的回收方面,逐漸發展出越來越多的應用。目前熱電發電的應用多以塊狀型態的熱電材料與模組為主,現階段已應用的熱電發電產業,仍限於工作溫度較高與較大熱源穩定且不受空間限制的環境中應用,相較之下,400˚C 以下較低溫、分散的廢熱則還沒有比較好的運用。

從經濟部能源局的統計資料顯示,台灣工業的廢熱主要集中在化工業(石化業)、金屬基本工業(鋼鐵業)及非金屬礦物業(水泥業)等能源密集產業,占了總廢熱量的 85.9%。從溫度範圍區分,低溫範圍的廢熱(溫度低於 200˚C 的廢氣或低於 100˚C 的廢水)就占了總廢熱量的 64%,如圖一所示,這些廢熱大都直接排至外界,相對形成能源浪費。若能針對這些低溫型廢熱進行回收、利用,將可提升整體能源的使用效率,也可減少燃料的使用量。



圖二、塊材和薄膜熱電模組於不同溫差下功率表現
 
熱電技術於能源擷取之機會
對於熱電的發展,未來除了上述較大型的熱電系統應用之外,配合無線感測等電子元件的發展,將熱電技術應用於環境熱能擷取回收,作為無線感測裝置的電力來源,甚至研發熱電穿戴式產品,擷取人體熱能加以應用,這些小功率的熱電裝置,將是熱電技術的新契機,故印刷式熱電技術具有相當程度的發展潛力。
 
印刷熱電材料製程技術
以印刷製程技術製作熱電膜層,如網版印刷、點膠印刷,還有最新的 3D列印技術等,相對於傳統熱電塊材的製程或是薄膜製程,印刷熱電具有低成本、快速、製程簡單等優點。此外,常用的低溫型熱電材料鉍-碲系列,因為本身結晶結構是靠較弱的凡得瓦力作為晶格層跟層之間的鍵結,造成材料本質易脆裂、塊材不易加工與難薄化的缺點;而印刷式的熱電材料尺寸易控制、容易加工、製程成本較低,而且印刷熱電在小溫差環境或是體溫的熱能擷取方面,更具便利性與發展性,有助於熱電產業應用的提升和普及。



圖五、有機導電高分子所製作的熱電轉換模組

國內近幾年開始重視熱電發電技術的發展,政府投入了不少經費支持產學研單位在熱電相關技術的研究開發,其中工研院材化所在熱電材料領域中耕耘多年,建立了熱電材料合成與模組生產的自主能力,除了與國際研究單位技術交流外,也與國內多個學術研究團隊合作,並將熱電材料及組裝技術技轉到產業界。近年來,工研院材化所除了精進現有熱電塊材相關技術外,也開始著眼於……以上為部分節錄資料,完整內容請見下方附檔。

作者:姜穎容 / 工研院材化所
★本文節錄自「工業材料雜誌」357期,更多資料請見下方附檔。

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