采用半導體工藝技術構建的薄膜熱電冷卻

約翰霍普金斯大學應用物理實驗室 （APL） 和三星電子的研究人員開發了一種固態熱電冷卻材料，該材料可以使用半導體工藝技術進行批量構建。

受控分層工程超晶格結構 （CHESS） 的效率是用市售的體熱電材料制成的用于冷卻電子設備的器件的兩倍。CHESS 技術是 APL 十年研究的成果，最初用于美國 DAPRA 計劃的國家安全應用，但它也被用于為假肢提供涼爽的感覺。

“這個使用新型熱電材料的制冷真實世界演示展示了納米工程 CHESS 薄膜的能力，”聯合項目首席研究員兼 APL 熱電技術專家 Rama Venkatasubramanian 說。“它標志著冷卻技術的重大飛躍，并為將熱電材料的進步轉化為實用、大規模、節能的制冷應用奠定了基礎。”

它通過使用電子將熱量通過專門的半導體材料進行冷卻，無需移動部件或具有挑戰性的冷卻劑液體。

“我們使用金屬有機化學氣相沉積 （MOCVD） 來生產 CHESS 材料，這種方法以其可擴展性、成本效益和支持大批量制造的能力而聞名，”領導 APL MOCVD 增長能力的高級研究工程師 Jon Pierce 說。“MOCVD 已經在商業上得到廣泛應用，使其成為擴大 CHESS 薄膜熱電材料生產規模的理想選擇。”

然后，研究人員在標準化制冷測試中使用傳統體熱電材料的制冷模塊與使用 CHESS 薄膜材料的制冷模塊進行了比較，測量和比較了在同一商用冰箱測試系統中達到不同冷卻水平所需的電功率。

三星電子的制冷團隊在材料工程師 Sungjin Jung 的領導下，與 APL 合作，通過詳細的熱建模來驗證結果，量化熱負荷和熱阻參數，以確保在實際條件下進行準確的性能評估。

使用 CHESS 材料，APL 團隊在室溫下的效率比傳統熱電材料提高了近 100%。這意味著熱電模塊的設備級效率提高了近 75%，完全集成的制冷系統的效率提高了 70%。

Venkatasubramanian 說：“這種薄膜技術有可能從為小型制冷系統提供動力發展到支持大型建筑 HVAC 應用，類似于鋰離子電池被擴展到為小如手機和大如電動汽車的設備供電的方式。

這些材料和設備在冷藏領域除了近期的進展，聚能和電子設備都有廣泛應用的前景。APL計劃將CHESS熱電材料進行精細化，以便與組織繼續合作，提高效率。今后的努力包括展示大規模制冷系統，包括在人工智能制冷和HVAC設備中分化或分布式制冷設備的能效優化。

“除了制冷之外，CHESS 材料還能夠將溫差（如體熱）轉化為可用電力，”APL 研究和探索開發任務區勘探計劃區域經理 Jeff Maranchi 說。“除了推進下一代觸覺系統、假肢和人機界面外，這還為從計算機到航天器的各種應用打開了可擴展的能量收集技術的大門——這些冷卻能力在舊的、笨重的熱電設備中是不可行的。”

“這項合作的成功表明，高效固態制冷不僅在科學上可行，而且可以大規模制造，”APL 技術商業化經理 Susan Ehrlich 說。“我們期待著與公司繼續進行研究和技術轉讓的機會，因為我們正在努力將這些創新轉化為實際應用。”