导电复合材料以及包含该材料的热电装置

摘要

本发明公开了导电复合材料，所述导电复合材料包含导电聚合物，和至少一种涂覆有保护剂的金属纳米粒子，其中所述保护剂包含化合物，所述化合物具有第一部分和第二部分，所述第一部分具有所述导电聚合物分子主链的至少一部分，所述第二部分与所述至少一种金属纳米粒子相互作用。

说明书

优先权

本申请要求提交于2008年10月20日、名称为ELECTRICALLY  CONDUCTIVE POLYMER COMPOSITE AND THERMOELECTRIC  DEVICE USING ELECTRICALLY CONDUCTIVE POLYMER  MATERIAL(导电聚合物复合材料以及使用导电聚合物材料的热电装 置)的日本专利申请No.2008-270161的优先权，该专利的公开内容以 引用的方式并入本文中。

技术领域

本发明涉及：复合材料，其包含导电聚合物和金属纳米粒子；热 电装置，其包含该复合材料；和热电装置，其包含导电聚合物材料。

背景技术

常规的热电装置(例如热电发电装置或珀耳帖冷却装置)可通过 以下方法制造：由刚性热电材料(例如铋-碲)形成热电偶，并且将大 量这样的热电偶在热流的方向上平行设置。通常，热电材料为疏松材 料，该疏松材料的形状为柱状，直径为若干毫米(mm)，或形状为矩形， 在一侧的长度为若干毫米。在这样的装置中，横截面(圆形的、正方 形的或低扁率矩形的)被导向成垂直于热流的方向。近来，已经尝试 使用薄膜热电材料来生产这样的热电装置。

热电装置通过热接点和冷接点的温差来发电。因此，一种改进其 效率的方法是尽可能地减少从热接点到冷接点的导热，并且在这两个 接点之间产生更大的温差。然而，在常规的热电装置中，从热电材料 表面释放的热量没有充分地受到影响。此外，有时难以在这两个接点 之间维持足够大的温差。

日本未经审查的专利公布No.2003-133600描述了热电转换部件， 该部件利用温差将热转换成电。该装置包括两层薄膜热电装置层，其 中一层具有p型半导体，另一层具有n型半导体。这些层通过在柔性 基底上进行气相沉积形成。

由于暴露于外部的表面积相对增多，因此薄膜热电材料可从该表 面释放增加的热量。然而，由于通常使用的无机热电材料的热导率较 高，例如，Bi-Te合金的热导率为1.5至2.0W/(m·K)(参见J.P.Fleurial 等人，J.Phys.Chem.Solids，49，1237(1988))，Si-Ge合金的热导率为 4W/(m·K)(参见Netsuden Henkan Zairyo(Thermoelectric Conversion Material)，Nikkan Kogyo Sha(2005))，所以由于从热接点到冷接点的热 传递造成在这两接点之间通常不能够维持足够大的温差。

即使聚苯胺的电导率较低(约200S/cm)，但由于其适合在处理 和加工聚合物中使用，因此还是被广泛地用于抗静电应用中。增加电 导率可提高聚苯胺的使用范围，例如可用于热电装置中。一种增加聚 苯胺电导率的方法是将其与金属纳米粒子结合。

日本未经审查的专利公布No.2004-359742描述了贵金属基催化 剂负载型导电复合材料，该材料采用贵金属络合物作为氧化剂，通过 导电聚合物的聚合反应进行制备。所述聚合反应在还原贵金属基催化 剂的同时，将贵金属基络合物加载到聚合物中。

日本未经审查的专利公布No.2006-248959公开了对共轭分子化 合物-金属纳米簇，该对共轭分子化合物-金属纳米簇包含对共轭分子化 合物，在对共轭分子化合物中分散有金属或金属氧化物细小粒子。通 过将金属盐和对共轭分子化合物混合入溶剂中，然后加入作为还原剂 的硼氢化钠制备所述纳米簇。

对包含具有更高电导率和更强相容性的金属纳米粒子和/或易分 散的金属纳米粒子的导电聚合物的需求依然存在。

发明内容

本发明公开了导电复合材料，该材料包含导电聚合物和至少一种 涂覆有保护剂的金属纳米粒子。保护剂包含化合物，化合物具有第一 部分和第二部分，第一部分具有所述导电聚合物分子主链的至少一部 分，第二部分与所述至少一种金属纳米粒子相互作用。

本发明也公开了热电装置，该装置包括：耐热基底；第一热电材 料，其包括导电复合材料，其中第一热电材料以薄膜形式被设置在所 述基底上；第二热电材料，其包含n型半导体或金属，其中第二热电 材料以薄膜或以线材形状被设置在所述基底上，其中第二热电材料与 所述第一热电材料相邻并且与之间隔开，并且第一热电材料和第二热 电材料一起构成单元热电偶；和导电材料，其与所述第一热电材料的 端部和所述第二热电材料的端部电连接，从而形成电路，其中所述第 一热电材料和所述第二热电材料交替串联电连接，并且该电路的两端 均为开路。第一热电材料中的导电复合材料包含导电聚合物，以及至 少一种涂覆有保护剂的金属纳米粒子。保护剂包含化合物，化合物具 有第一部分和第二部分，第一部分具有所述导电聚合物分子主链的至 少一部分，第二部分与所述至少一种金属纳米粒子相互作用。

本发明也公开了热电装置，该装置包括：耐热基底；第一热电材 料，其包括导电聚合物，其中第一热电材料以薄膜形式被设置在所述 基底上；第二热电材料，其包含n型半导体或金属，其中第二热电材 料以薄膜或线材形状被设置在所述基底上，其中第二热电材料与所述 第一热电材料相邻并且与之间隔开，并且其中所述第一热电材料和所 述第二热电材料一起构成单元热电偶；和导电材料，其与所述第一热 电材料的端部和所述第二热电材料的端部电连接，从而形成电路，其 中所述第一热电材料和所述第二热电材料交替串联电连接，并且该电 路的两端均为开路。

附图说明

图1为可说明所公开的复合材料中带电粒子转移的示例性机制的 示意性描述。

图2为可说明具有常规保护剂的复合材料中带电粒子转移的示例 性机制的示意性描述。

图3为示例性热电装置的示意性描述。

图4为所公开的堆叠热电装置的分解示意图。

具体实施方式

本文公开了导电复合材料，该导电复合材料包含导电聚合物和金 属纳米粒子。金属纳米粒子涂覆有保护剂。保护剂包含化合物，化合 物具有第一部分和第二部分，第一部分具有导电聚合物分子主链的至 少一部分，第二部分与金属纳米粒子相互作用。

与导电聚合物单独地相比，与导电聚合物和不含保护剂的金属纳 米粒子的混合物相比，或与导电聚合物和含常规保护剂(该常规保护 剂不包含第一部分和第二部分两者，其中第一部分具有导电聚合物分 子主链的至少一部分，第二部分与金属纳米粒子相互作用)的金属纳 米粒子的混合物相比，本发明所公开的导电复合材料可具有极大增强 的电导率。可通过在两个接点之间产生更大的温差来提高热电装置的 热电转换效率。

可使用各种聚合物作为导电聚合物，包括(例如)：聚乙炔、聚 苯胺、聚噻吩、聚吡咯、聚苯乙烯撑、聚噻吩乙烯撑以及它们的衍生 物等。导电聚合物可以包含取代基，该取代基被引入这种导电聚合物 分子主链中。具体聚合物可根据实际情况，例如为成膜的难易程度以 及在空气中的稳定性来选择。在一些实施例中，导电聚合物可包含聚 苯胺或其衍生物。

本文可利用的导电聚合物可通过掺杂实现绝缘体-金属过渡来显 示具有导电性。所述导电聚合物可掺杂p型半导体或n型半导体。

当掺杂p型半导体时，通过使用称为受体的掺杂物使π-电子脱离 所述导电聚合物的共轭系。这样，形成了可沿着主链移动的空穴。受 体掺杂物的实例可包括卤素、路易斯酸、质子酸、和过渡金属卤化物。 质子酸通常作为受体掺杂物使用。这类质子酸的实例包括：有机酸， 例如对甲苯磺酸、樟脑磺酸和甲酸；和无机质子酸，例如盐酸、硫酸、 硝酸和磷酸。就聚苯胺而言，可通过掺杂缺乏氧化的能力的质子酸(例 如盐酸)来产生半醌基。由此使聚苯胺显示具有导电性。

当掺杂n型半导体时，使用称为供体的掺杂物将电子赠予导电聚 合物的共轭系。这样做时，电子可沿着主链移动。供体掺杂物的实例 可包括：碱金属和烷基铵离子。

保护剂(也可称为调节剂或封端剂)是这样一种化合物，该化合 物具有第一部分和第二部分，第一部分具有导电聚合物分子主链的至 少一部分，第二部分与金属纳米粒子相互作用。当将保护剂涂覆到金 属纳米粒子表面上时，第一部分可有助于增加金属纳米粒子在导电聚 合物中的相容性或分散性。该保护剂也可与金属离子(金属纳米粒子 的前体)相互作用，之后将金属离子还原以形成金属纳米粒子。该保 护剂可为还原提供反应位点，并且可以影响在还原位点处生长的金属 粒子的大小。

表达“导电聚合物分子主链的至少一部分”是指用于构成聚合物 所必需的特征结构的至少一部分。例如，在导电聚合物是聚苯胺的情 况下，“导电聚合物分子主链的至少一部分”是指聚苯胺链的至少一 部分，例如，氨基苯基部分和聚合在一起的多个氨基苯基部分。就聚 苯胺而言，短语“导电聚合物分子主链的至少一部分”应当也可包含 引入有取代基、链终止基团等的聚苯胺。这同样适用于除聚苯胺之外 的导电聚合物。例如，在导电聚合物是聚噻吩的实施例中，短语“导 电聚合物分子主链的至少一部分”包括噻吩部分和聚合在一起的多个 噻吩部分。在导电聚合物是聚苯乙烯撑的实施例中，短语“导电聚合 物分子主链的至少一部分”包括苯基部分、乙烯基苯部分、和聚合在 一起的多个苯基和/或乙烯基苯结构。

保护剂的第二部分是与金属纳米粒子相互作用的部分。此部分能 够与金属纳米粒子的金属形成配位键、离子键等。这种第二部分的实 例包括(例如)：与金属具有配位性质的官能团，例如羟基、羧基、 磺酸基、乙酰丙酮化物基团、卤素基团、腈基、吡咯烷酮基团、氨基、 酰胺基或硫醇基。

当导电聚合物是聚苯胺时，可作为保护剂使用的示例性化合物包 括(但不限于)4-氨基苯硫酚、2-氨基苯硫酚、3-氨基苯硫酚、2-氨基 苯磺酸、2-氨基苯甲酸、3-氨基苯甲酸、4-氨基苯甲酸、2-氨基苯甲腈、 3-氨基苯甲腈、4-氨基苯甲腈、2-氨基苯乙腈、3-氨基苯乙腈、4-氨基 苯乙腈、N-苯基-1，2-苯二胺、和N-苯基-1，4-苯二胺。当导电聚合物是 聚噻吩或聚噻吩乙烯撑时，可作为保护剂使用的示例性化合物包括(但 不限于)3-(2-噻吩基)-DL-丙氨酸、4-(2-噻吩基)丁酸、2-(2-噻 吩基)乙醇、2-(3-噻吩基)乙醇、2-噻吩乙酸、3-噻吩乙酸、2-噻吩 乙腈、2-噻吩甲腈、2-噻吩甲酰胺、2-噻吩羧酸、3-噻吩羧酸、2-噻吩 羧酸肼、2，5-噻吩二羧酸、2-噻吩乙胺、2-噻吩乙醛酸、2-噻吩丙二酸、 2-噻吩甲醇或3-噻吩甲醇。当导电聚合物是聚吡咯时，可作为保护剂使 用的示例性化合物包括(但不限于)吡咯-2-羧酸和1-(2-氰乙基)吡 咯。当导电聚合物是聚苯乙烯撑时，可作为保护剂使用的示例性化合 物包括(但不限于)苯甲酸、苯硫酚、苯磺酸、3-乙烯基苯甲酸和4- 乙烯基苯甲酸。

保护剂可以包含以下单体的共聚物：具有导电聚合物分子主链的 至少一部分的单体，与具有与金属纳米粒子相互作用的部分的单体的 共聚物。例如，当导电聚合物是聚苯胺时，保护剂可以是N-乙烯基吡 咯烷酮(具有能够与金属纳米粒子相互作用的吡咯烷酮)与N-苯基-N′- (3-甲基丙烯酰氧基-2-羟丙基)-对苯二胺(具有两个苯胺部分结构) 的共聚物。

可在保护剂存在的条件下通过还原金属离子获得金属纳米粒子。 金属离子可(例如)使用还原剂(例如硼氢化钠或肼)或乙醇还原法 进行还原。在这种实施例中，金属纳米粒子的粒径可为约1nm至约 100nm。

保护剂摩尔数与金属纳米粒子摩尔数之比可以为约0.1或更大。 当保护剂摩尔数与金属纳米粒子摩尔数之比为约0.1或更大时，金属纳 米粒子通常能够充分稳定地分散到介质(反应混合物和/或获得的导电 复合材料中的任一者)中。所述摩尔比可为约0.5或更大、约1或更大、 约2或更大或约5或更大。保护剂摩尔数与金属纳米粒子摩尔数之比 可以为约50或更小。当保护剂摩尔数与金属纳米粒子摩尔数之比为约 50或更小时，介于金属纳米粒子和导电复合材料之间的相互电作用不 受抑制，并且和导电聚合物单独地相比，可提高导电复合材料的电导 率。所述摩尔比可为约40或更小、约30或更小、约20或更小或约10 或更小。

金属纳米粒子可包含纯金属，例如金、铂、钯、银、铑、镍、铜 和锡或两种或更多种这类金属的合金。在实施例中，可使用金、铂、 钯或银的金属纳米粒子。在实施例中，由于金、铂或钯具有相对高的 抗氧化性，因此可使用它们。

将涂覆有保护剂的金属纳米粒子与导电聚合物物理地混合(例如， 使用溶剂)，以形成导电复合材料。或者，在导电聚合物的聚合过程 中，可将涂覆有保护剂的金属纳米粒子混合在含有导电聚合物的反应 体系中。在这样的实施例中，导电聚合物的聚合，以及导电聚合物和 金属纳米粒子的混合可同时完成。导电聚合物的掺杂可以在混合金属 纳米粒子之前进行，或可以与混合金属纳米粒子同时进行。

在实施例中，基于导电聚合物的重量，导电聚合物可包含约0.01 重量％或更多的金属纳米粒子。在金属纳米粒子含量为约0.01重量％ 或更多(基于导电聚合物的重量)的实施例中，导电复合材料的电导 率可被提高。基于导电聚合物的重量，导电聚合物可包含约0.05重量 ％或更多、约0.1重量％或更多、约0.5重量％或更多、约1重量％或更 多、约2重量％或更多或约5重量％或更多的金属纳米粒子。基于导电 聚合物的重量，导电聚合物可包含多达约95重量％、多达约90重量％、 多达约85重量％、多达约80重量％或多达约75重量％的金属纳米粒子。 在导电复合材料将被用作p型热电材料的实施例中，所述导电复合材 料可以含有约30体积％或更少的金属纳米粒子。例如，导电复合材料 可以含有约25体积％或更少、约20体积％或更少或约10体积％或更少 的金属纳米粒子。导电复合材料通常含有至少约0.01体积％、至少约 0.05体积％、至少约0.1体积％、至少约0.3体积％、至少约0.5体积％、 至少约0.8体积％或至少约1体积％的金属纳米粒子。

金属的塞贝克系数通常较低，因此添加相对大量的金属纳米粒子 可导致导电复合材料的塞贝克系数降低。然而，为了仍然增加电导率， 当按照本文所述的量利用金属纳米粒子时，可使导电聚合物的塞贝克 系数的降低最小化。

本发明所公开的导电复合材料可以各种形状加以利用。例如，可 以通过下列步骤形成导电复合材料膜：将导电复合材料溶解于间甲酚 等中，将该溶液涂覆到例如玻璃基底或聚合物膜的基底上(利用例如 刮棒涂布法、网版印刷法或旋涂法)，并且将涂层干燥。可以将多层 该膜叠在一起。或者，可以将膜拉伸至与导电聚合物的取向对齐，从 而进一步提高电导率。

图1示出导电聚合物与保护剂复合的机制解释，保护剂包含第一 部分和第二部分，第一部分具有导电聚合物分子主链的至少一部分， 第二部分与至少一种金属纳米粒子相互作用。尽管不希望被理论所约 束，图1还是描述了本发明所公开的导电复合材料的电导率增加的可 能的机制解释。

电导率通常在很大程度上受到导电聚合物分子链之间的带电粒子 转移(带电粒子跳跃)的影响。常规使用的保护剂(即保护剂不具有 第一部分，第一部分具有导电聚合物分子主链的至少一部分，但具有 第二部分，第二部分与至少一种金属纳米粒子相互作用)一般是绝缘 有机化合物，该绝缘有机化合物在许多情况下与导电聚合物并不是很 相容。图2图示了常规保护剂的机制。如图2所示，即使当将涂覆有 常规保护剂210的金属纳米粒子220分散到导电聚合物230中，在金 属纳米粒子220表面上依旧形成了绝缘区域240。这抑制了在导电聚合 物230中流动的正电荷250通过金属纳米粒子220的表面或主体向着 另一个导电聚合物230的带电粒子转移(带电粒子跳跃)。

另一方面，本文所公开的保护剂包括第一部分，第一部分具有导 电聚合物分子主链的至少一部分，因此，该保护剂与导电聚合物是高 度相容的。图1示出由于此相容性，本发明所公开的保护剂10可将两 个或更多个导电聚合物30的分子链吸引至金属纳米粒子20，从而允许 分子链能够一起靠近。如图1中的箭头所示，在导电聚合物30中流动 的正电荷50受到激发，从而通过金属纳米粒子20的表面或主体发生 带电粒子转移，或在两个空间相近的分子链之间发生直接带电粒子转 移。这样的机制造成的结果是，导电复合材料的电导率可得到增强。

本发明所公开的导电复合材料可在各种电气/电子应用中使用。应 用的具体实例包括抗静电技术、抗电磁波技术、电气连接技术、电容 器、二次电池和致动器。

本发明所公开的为p型热电材料的导电复合材料可用于利用工厂、 焚化炉等的余热或利用电气设备的余热进行热电发电。本发明所公开 的p型导电复合材料也可用作温度传感器或热电冷却装置(珀耳帖装 置)。

本文所公开的热电装置包括：(a)耐热基底；(b)第一热电材料，其 包含导电聚合物，其中第一热电材料以薄膜形式被设置在基底上；(c) 第二热电材料，其包含n型半导体或金属，其中第二热电材料以薄膜 或线材形状被设置在基底上，其中薄膜或线材形状与第一热电材料相 邻并且与之间隔开，并且其中第一热电材料和第二热电材料一起构成 单元热电偶；和(d)导电材料，其与第一热电材料的端部和第二热电材 料的端部电连接，从而形成电路，其中第一热电材料和第二热电材料 交替串联电连接，并且该电路的两端均为开路。在一些实施例中，第 一热电材料包含这样的复合材料，该复合材料包含导电聚合物和至少 一种涂覆有保护剂的金属纳米粒子两者。保护剂包含化合物，化合物 具有第一部分和第二部分，第一部分具有所述导电聚合物分子主链的 至少一部分，第二部分与所述至少一种金属纳米粒子相互作用。

在实施例中，第一热电材料可以薄膜形式设置，从而可使热电装 置暴露在外部环境中的表面面积相对较大。在第一热电材料中的导电 聚合物的热导率低于常规无机热电材料的热导率。由此，可将从热接 点到冷接点的传导热有效地耗散到这些接点之间的外部环境中，并且 这两个接点之间的温差可得到维持。这样可增加热电装置的热电转换 系数。

耐热基底可为在热电装置工作温度下不变形或塌陷的任何基底。 通常，热电装置的工作温度不高于约200℃。基底可为绝缘材料或导电 材料中的任一者。在使用导电材料的实施例中，可在表面上提供绝缘 膜，以避免基底和热电材料之间的电接触。对基底的形状、大小等等 没有特别限制。在实施例中，基底可以是矩形的或正方形的，从而可 易于布置该装置。在基底是矩形的或正方形的实施例中，基底的长度 可以为约10mm至约1,000mm，并且宽度为约10mm至约1,000mm。

在需要柔性装置的实施例中，可将例如聚酰亚胺或聚对苯二甲酸 乙二醇酯这样的柔性聚合物膜作为基底使用。在这类实施例中，柔性 基底的厚度可以为约5mm或更大；在实施例中其厚度为约10微米(μm) 或更大。厚度为约5mm或更大的柔性基底通常具有足够的强度。柔性 基底的厚度可以为约2mm或更小；或在实施例中其厚度为约1mm或 更小。厚度为约2mm或更小的柔性基底能够提供足够的柔性以允许装 置弯曲或变形。这样的柔性可允许装置弯曲或变形以便适应有限的安 装空间。这样的柔性还可通过为热接点和/或冷接点提供适当的布置而 进一步提高放热。也可通过允许柔性热电装置的形状贴合弯曲表面， 而使该装置与具有该弯曲表面的热源相接触，这样可将热源和该热电 装置之间的传热损耗降至最小。

第一热电材料包含导电聚合物，并且以薄膜形式被设置在基底上。 该薄膜能够实现热电材料表面的有效放热。可将多种聚合物用作热电 材料，这些聚合物包括：聚乙炔、聚苯胺、聚噻吩、聚吡咯、聚苯乙 烯撑、聚噻吩乙烯撑以及它们的衍生物等等。在实施例中，由于易成 膜性以及空气稳定性，可使用聚苯胺、聚噻吩、聚吡咯、聚苯乙烯撑、 聚噻吩乙烯撑以及它们的衍生物等等。在实施例中，可使用聚苯胺。

聚苯胺的热导率通常为0.02W/(m·K)至0.24W/(m·K)(27℃)(参 见H.Yan等人，J.Therm.Anal.Cal.，69，881(2002))，聚苯乙烯撑的 热导率通常为0.05W/(m·K)至0.16W/(m·K)(25℃)(参见Y.Hiroshige 等人，Synth.Met.，157，467(2007))。从这些数值来看，导电聚合物的 热导率为大约常规热电材料热导率的1/10至1/100，因此，从热接点传 导到冷接点并且没有从表面耗散的热量可被极大地降低。

通过将本文所公开的导电复合材料用作第一热电材料，可以提高 第一热电材料的电导率。如上文所公开的，导电复合材料包括与金属 纳米粒子结合的导电聚合物。金属纳米粒子可涂覆有保护剂，该保护 剂为这样一种化合物，其具有第一部分和第二部分，第一部分为导电 聚合物分子主链的至少一部分，第二部分与金属纳米粒子相互作用。 即使使用少量的这种保护剂涂覆的纳米粒子，也可极大地增加电导率， 并且同时使塞贝克系数的降低最小化。这样做可提高所公开的热电装 置的热电转换效率。

在实施例中，第一热电材料的垂直于热电装置热流方向(从热接 点到冷接点的流动方向)的横截面扁率(横截面长边的长度/膜厚)为 约5或更大；并且在实施例中为约10或更大。例如，假定扁率为10， 则热电材料的表面积将变成具有相同横截面面积、但横截面是圆形的 或正方形的热电材料表面积的约4倍或更大。因此，通过设定扁率为 约5或更大，可使第一热电材料暴露于外部环境的表面面积足够大， 这样可有效地将热接点到冷接点的传导热从第一热电材料的表面驱散 到外部环境中。

在使用了柔性基底的实施例中，第一热电材料的厚度可以为约 1mm或更大；并且在实施例中，第一热电材料的厚度可以为约5mm或 更大。当第一热电材料的厚度为约1mm或更大时，可防止通过使热电 装置弯曲或变形而折断该热电材料。在使用了柔性基底的实施例中， 第一热电材料的厚度可以为约10mm或更小；并且在实施例中，第一 热电材料的厚度可以为约5mm或更小。当第一热电材料的厚度为约 10mm或更小时，热电装置可具有足够的柔性。

第一热电材料具有不同形状，包括条形、矩形或正方形。第一热 电材料沿热流方向的长度可以根据基底的尺寸、基底的形状等等进行 选择。在实施例中，第一热电材料沿热流方向的长度可以为约10mm 至约1,000mm。

将第二热电材料设置在基底上，与第一热电材料相邻并且与之间 隔开。第一热电材料和第二热电材料一起构成单元热电偶。第二热电 材料包含n型半导体或金属。通常，可使用在一般热电装置中使用的n 型半导体或金属。n型半导体或金属的实例包括：基于合金的热电材料 (例如scutterdite化合物、基于硅化物的化合物、半哈斯勒金属、和硼 化合物)，基于氧化物的热电化合物(例如氧化锌化合物、氧化钛化 合物、以及氧化镍化合物)、和金属(例如铜、镍、铂)。

第二热电材料以薄膜或线材形状被设置在基底上。在第二热电材 料为薄膜的实施例中，第二热电材料的扁率、厚度、形状以及沿热流 方向的长度可能和第一热电材料的相同，也可能不同。扁率、厚度、 形状以及长度可以根据单元热电偶的设置方式、第二热电材料的电导 率、塞贝克系数、热导率等等进行选择。第二热电材料薄膜例如可以 通过气相沉淀形成，也可以是通过将上文所述的n型半导体或金属分 散到树脂中而形成的箔片或膜。在第二热电材料为线材形状的实施例 中，可以将第二热电材料设置成使得整个线材都与基底相接触，或线 材仅在与第一热电材料电连接的部分处与基底接触。线材的长度和直 径(或横截面积)可根据单元热电偶的设置方式、第二热电材料的电 导率、塞贝克系数，热导率等等进行选择。

第二热电材料的厚度可以选择为使得其不会削弱热电装置的柔 性。在薄膜中使用n型半导体作为第二热电材料的实施例中，其厚度 可以为约0.5mm或更小。在薄膜中使用金属作为第二热电材料的实施 例中，其厚度可以为约1mm或更小。在第二热电材料包括金属并且为 线材形式的实施例中，其直径可以为约1mm或更小。在第二热电材料 是膜，该膜包含其中分散有n-型半导体或金属的树脂的实施例中，由 于树脂的柔性，因此第二热电材料的厚度可以增加。

相互靠近的第一热电材料的端部和第二热电材料的端部电连接以 形成单元热电偶，剩余的两端部不连接。在热电装置中包含一个单元 热电偶的实施例中，单元热电偶可被当做一个简单电路，在该电路中 第一热电材料和第二热电材料串联电连接，并且剩余的两端部作为终 端保持开路。第一热电材料和第二热电材料端部之间可以使用例如焊 料、导电胶或各向异性导电膜的导电材料进行电连接。在使用这样的 导电材料进行电连接以前，可以在第一热电材料和/或第二热电材料的 连接部分上设置金属薄膜层，以减少导电材料和热电材料之间的电接 触电阻。可选的金属薄膜层可以通过溅射、气相沉积等形成。

在基底上设置有多个单元热电偶的实施例中，单个的单元热电偶 具有第一热电材料的未连接端部，第一热电材料的未连接端部被电连 接到相邻单元热电偶的第二热电材料的未连接端部；并且第二热电材 料的未连接端部被电连接到第二相邻单元热电偶的第一热电材料的端 部。以这种方法，在基底上形成了电路，在该电路中第一热电材料和 第二热电材料交替串联电连接，并且该电路的两端均为开路。可通过 使用上文所述的导电材料进行多个单元热电偶的电连接。

也可形成堆叠的热电装置。可通过堆叠多个基底形成堆叠的热电 装置，其中每一个基底都具有设置于其上的一个或多个单元热电偶。 当需要高输出电压时，堆叠热电装置可为有利的。可以通过使用铜线 结合上述导电材料，或通过在基底上此前形成连接图案(例如使用抗 蚀剂和电镀在基底上形成电路图案)，来对两个位于单独的基底上的 单元热电偶进行电连接。

在实施例中，可以在上述第一热电材料和上述第二热电材料的接 合部分上设置热导率高的材料，以覆盖接合部分。这样可更好地接触 热源。在实施例中，可以在装置表面上设置保护膜。这样可为热电材 料表面提供机械保护或增强层，使之具有防锈、绝缘性保证等功能。

图3示出热电装置60。热电装置60包括：基底70；第一热电材 料80，其设置在基底70上，并且设置成带状薄膜；第二热电材料90， 其设置成带状薄膜，并且与第一热电材料80相邻并与之间隔开；导电 材料100，其与第一热电材料和第二热电材料交替串联电连接；和铅线 111，其连接到上述所形成电路两个端部110中的每一个。

为了制造这样的装置，可将第一热电材料80分散或溶解在溶剂中， 可将分散液或溶液涂覆到基底70上(通过例如刮棒涂布法、网版印刷 法、旋涂法或喷墨法)，然后干燥以形成薄膜。在涂覆过程中，可以 使用掩蔽胶带等以防止将第一热电材料80涂覆到基底不需要的部分 上。在使用网版印刷法、喷墨印刷法等情况下，可将第一热电材料80 按照所需的形状或图案(在图3中，带状)直接涂覆到基底70上。为 了增加第一热电材料80和基底70之间的粘结性，可以对基底70的表 面进行例如等离子处理、火焰处理、电子束处理以及电晕处理这样的 物理表面改性，或使用偶联剂等进行化学表面改性。在其他实施例中， 可单独制备第一热电材料80的薄膜，然后将其切割成所需的形状(例 如带状)。随后可通过使用粘合剂等将该薄膜设置在基底70上。在基 底70是胶带的实施例中，可以将薄膜直接粘附于基底的粘合剂表面上。

可通过使用结合气相处理(例如溅射或气相沉淀)的掩蔽剂将第 二热电材料90作为带状薄膜直接设置到基底70上。与第一热电材料 80类似，可以单独制备第二热电材料90的带状薄膜或例如线材的线性 形式，随后通过使用粘合剂等将其设置在基底70上。

可以使用例如焊料、导电胶或各向异性导电膜这样的导电材料 100，在单一单元热电偶或多个单元热电偶之间建立电连接。在连接部 分上通过焊接焊剂、涂覆导电胶或使用各向异性导电膜都可以实现电 连接。这些电连接部位中的一些，一组接点101(在图3中，布置在一 侧，位于热电装置60的底边)可被用作热接点，这些电连接部位中的 其他一些，一组接点102(在图3中，布置在相对侧，位于热电装置 60的顶边)可被用作冷接点，或反之亦然。

对于这样获得的热电装置60中的每一个接点110，可以使用上述 焊料、导电胶等附接铅线111，以用于连接到外部电路。

在图4中以分解透视图示意性示出的堆叠热电装置61包括位于基 底70上的作为矩形薄膜提供的第一热电材料80，以及线状的第二热电 材料90，该第二热电材料通过导电材料100与第一热电材料的端部电 连接。铅线111被附接到堆叠热电装置61最外层和最底层上的端部110 中的每一个上。为了使图4简单化，所有组成元件都没有标注附图标 号。

第一热电材料80可按照与在图3所示的热电装置中相同的方式设 置。在图4所示的实施例中，通过使用例如导电胶的导电材料100使 例如铜线的线状第二热电材料90在第一热电材料80的对角处结合至 两个端部。使第一热电材料80和第二热电材料90的交替串联电连接 可形成多个单元热电偶。在形成单元热电偶的偶的同时，可通过将第 二热电材料90设置在整个某层及其基础层上，在这两层之间进行电连 接。类似于图3，设置在堆叠热电装置61一侧(图4中的正面)的一 组接点101可用作热接点，设置在堆叠热电装置61相对侧(图4中的 背面)的一组接点102可用作冷接点，或反之亦然。

本发明所公开的热电装置可用于利用温差发电，例如，用于利用 工厂、焚化炉等的余热或电气设备的余热进行热电发电。通常，本发 明所公开的热电装置通过使位于一侧的电连接部(热接点)接触高温 热源，位于相对侧的电连接部(冷接点)接触低温热源进行发电。本 发明所公开的热电装置可从装置表面释放大量的热，并且从热接点到 冷接点仅传导少量的热，从而可维持热接点和冷接点之间的大温差。 因此，根据用途，即使所述冷接点没有和低温热源相接触，也可进行 充分的热电转换。

本发明所公开的热电装置也可用作热电冷却装置(珀耳帖装置)， 其中通过在热接点和冷接点分别接触高温部分和温部分时对热电装置 通电来冷却该高温部分。

实例

将在下文中对代表性实例进行详细描述，但在本发明范围内对以 下实施例进行更改和修改对本领域技术人员将显而易见。

除非另外指明，否则所有化学品均得自Wako Pure Chemical  Industries，Ltd.(Osaka，Japan)。

实例1：

(1)金纳米粒子的合成

使用p-氨基硫酚(p-ATP)作为保护剂的金纳米粒子通过以下方法 合成。制备1.0mM的p-ATP的乙醇/水(体积比为1∶1)溶液。将该 溶液至于氮气氛中，向溶液中加入四氯金(III)酸四水合物至四氯金(III) 酸浓度为1.0mM。该溶液中p-ATP与金离子(Au³⁺)的摩尔比为1∶1。 避光搅拌该溶液(在氮气氛中)，随后通过逐滴加入硼氢化钠水溶液 作为还原剂对金离子进行还原。这引起溶液变为黑色。对该溶液进行 干燥，用水洗涤，然后再次干燥，以获得黑色粉末。该黑色粉末的X 射线衍射测量表明其衍射峰属于结晶金。根据峰的形状，确定该结晶 的大小为16nm。ICP分析表明含金量为75重量％。

(2)聚苯胺的聚合反应

使用如下的氧化聚合方法合成聚苯胺(PANi)。将9.38g(0.10mol) 的苯胺(通过对市售的苯胺进行减压蒸馏得到)与100mL的1M的盐 酸在冰浴中混合3小时。随后，在-8℃下进行搅拌的同时，在5小时内 向该混合溶液中逐滴加入100mL其中溶有28.53g(0.125mol)过硫酸铵 的水溶液。继续在-8℃下搅拌15小时，并且回收获得的沉淀物。对该 沉淀物进行洗涤，用氨水漂洗，再次洗涤，然后干燥得到PANi，其产 率为84.9％。所得的PANi的重均分子量为6.7×10⁴amu，多分散度为 1.3。紫外-可见分光光谱证实该PANi具有苯胺绿结构。

(3)涂覆p-ATP的金纳米粒子与导电PANi的结合

在玛瑙研钵中混合248.3mg如上合成的PANi和290mg樟脑磺酸 (CSA)。将1.7mg的p-ATP涂覆的金纳米粒子分散到1.25g的m-甲酚 中制成溶液，将该溶液加入到混合物中，并搅拌。随后加入23.55g的 m-甲酚，充分混合。此时，基于PANi，含金量为0.5重量％。

将该溶液涂覆在玻璃基底上，干燥得到PANi膜。将PANi膜切成 适当大小，连接一根直径为0.1mm的铂丝，利用四端点法测量电导率。 在电连接中使用了导电胶XC-32(Fujikura Kasei Co.，Ltd.(Tokyo， Japan))。使用移动塞贝克装置(ai-Phase Co.，Ltd.(Tokyo，Japan))测量 PANi膜(从所述玻璃基底上分离)的塞贝克系数。结果示于表1中。

实例2和实例3：

将按照实例1所描述的获得的p-ATP涂覆的金纳米粒子与导电 PANi按照实例1的描述进行结合，不同的是基于PANi，含金量变为 1.1重量％(实例2)或2.1重量％(实例3)。按照实例1的描述测量 电导率和塞贝克系数，结果示于表1中。

实例4：

按照实例1所描述的合成p-ATP涂覆的金纳米粒子，不同的是在 还原金离子之前，溶液中p-ATP与金离子(Au³⁺)的摩尔比为5∶1。获 得的p-ATP涂覆的金纳米粒子的X射线衍射测量表明其衍射峰属于结 晶金。根据峰的形状，确定该结晶的大小为2.5nm。ICP分析表明含金 量为69重量％。将这种p-ATP涂覆的金纳米粒子与导电PANi按照实 例1中的描述进行结合。按照实例1的描述测量电导率和塞贝克系数， 结果示于表1中。

实例5：

将按照实例4所描述的获得的p-ATP涂覆的金纳米粒子与导电 PANi按照实例1中的描述进行结合，不同的是基于PANi，含金量为 1.0重量％。按照实例1的描述测量电导率和塞贝克系数，结果示于表 1中。

比较例1(单独的PANi导电聚合物的性能评估)

在玛瑙研钵中混合按照实例1描述获得的PANi(250mg)和290mg 的CSA，加入24.8g的m-甲酚并充分混合。将该溶液涂覆到玻璃基板 上，干燥得到PANi膜。按照实例1的描述测量电导率和塞贝克系数， 结果示于表1、表2和表4中。

比较例2(使用不含苯胺的保护剂的金属纳米粒子-PANi复合材料)：

按如下方法合成使用聚乙烯基吡咯烷酮(PVP)作为保护剂的金纳 米粒子。制备1.0mM的PVP K30的乙醇/水(体积比为2∶8)溶液。 向该溶液中加入四氯金(III)酸四水合物至四氯金(III)酸浓度为1.0mM。 该溶液中PVP与金离子(Au³⁺)的摩尔比为1∶1。将溶液在避光条件下 在氮气氛中进行搅拌。然后将该溶液加热至80℃产生回流状态。逐滴 加入0.1M的氢氧化钠溶液，使氢氧化钠的摩尔量为金离子(Au³⁺)摩尔 量的4倍。在滴加后溶液立刻变成红黑色。对该溶液进行干燥，用水 洗涤，再次干燥，以获得黑色粉末。该黑色粉末的X射线衍射测量表 明其衍射峰属于结晶金。根据峰的形状，确定该结晶的大小为4.9nm。 ICP分析表明含金量为77重量％。

将该PVP涂覆的金纳米粒子与导电PANi按照实例1的描述进行 结合，不同的是基于PANi，含金量为2.0重量％。按照实例1描述测 量电导率和塞贝克系数，结果示于表1和表4中。

表1

实例6：

按照实例1所描述的合成p-ATP涂覆的金纳米粒子，不同的是在 还原金离子之前，p-ATP与金离子(Au³⁺)的摩尔比为20∶1。获得的p-ATP 涂覆的金纳米粒子的X射线衍射测量表明其衍射峰属于结晶金。根据 峰的形状，确定该结晶的大小为2.6nm。ICP分析表明含金量为8.2重 量％。将这种p-ATP涂覆的金纳米粒子与导电PANi按照实例1的描述 进行结合，不同的是基于PANI，含金量为0.3重量％。按照实例1的 描述测量电导率，结果示于表2中。

实例7：

按如下方法，在PANi聚合的过程中，将按实例6所描述的获得 的p-ATP涂覆的金纳米粒子与PANi结合。将3.137g(3.4×10^-2mol)的苯 胺(通过对市售的苯胺进行减压蒸馏得到)与0.383g的p-ATP涂覆的 金纳米粒子混合。将该混合物加入到43mL其中溶有9.0g的LiCl的1M 的盐酸中，在-10℃下混合3小时。随后，在-10℃下进行搅拌的情况下， 在30分钟内向该溶液中滴加41mL其中溶有11.53g(5.1×10^-2mol)过硫 酸铵的水溶液。继续在-10℃下搅拌24小时，并且回收获得的沉淀物。 对该沉淀物进行洗涤，用氨水漂洗，再次洗涤，然后干燥得到PANi， 其产率为95.5％。ICP分析表明所获得的PANi中的含金量为0.3重量 ％。

接下来，在玛瑙研钵中混合250mg的PANi涂覆的金纳米粒子 -PANi混合物和290mg的CSA，加入24.8g的m-甲酚并充分混合。将 该溶液涂覆到玻璃基板上，干燥得到PANi膜。按照实例1的描述测量 电导率，结果示于表2中。

表2

实例8：

按如下方法合成具有如下结构的含苯胺部分的聚合物保护剂 P(VP-ANi)。

向配备有搅拌器、冷凝器和氮气进入管的200mL玻璃制的反应器 中，加入30.4g的N-乙烯基吡咯烷酮(NVP，Nippon Shokubai Co.，Ltd. (Osaka，Japan))和1.60g的N-苯基-N′-(3-甲基丙烯酰氧基-2-羟丙基)- 对苯二胺(NOCRAC G-1，Ouchi Shinko Chemical Industrial Co.，Ltd. (Tokyo，Japan))。随后加入并溶解48g的1，3-二氧环戊烷(DOL，Osaka  Organic Chemical Industry Ltd.(Osaka City，Japan))。用氮气吹扫溶液气 氛，然后在搅拌下加热溶液至65℃的温度。然后加入0.32g的二甲基2， 2′-偶氮二(2-丙酸甲酯)(V-601)作为聚合反应引发剂，使反应进行20 小时。随后将反应溶液逐滴加入到过量的丙酮中，回收沉淀物。通过 ¹³C-NMR测定，确定产生了共聚物，并且该共聚物中乙烯基吡咯烷酮 的共聚比为93.5摩尔％。使用同样的方法聚合得到共聚比不同的其他 共聚物。在聚合反应中的添加质量比以及使用的溶剂示于表3中。

表3

实例9：

按照比较例2中所描述的合成P(VP-ANi)涂覆的金纳米粒子，不 同的是合成的P(VP-ANi)中NPV/G-1的质量比为95/5，在还原金离子 前溶液中P(VP-ANi)与金离子(Au³⁺)的摩尔比为0.1∶1。获得的 P(VP-ANi)涂覆的金纳米粒子的X射线衍射测量表明其衍射峰属于结 晶金。根据峰的形状，确定该结晶的大小为11.3nm。ICP分析表明含 金量为98.7重量％。将这种P(VP-ANi)涂覆的金纳米粒子与导电PANi 按照实例1中所描述的进行结合，不同的是基于PANi，含金量为1.1 重量％。按照实例1的描述测量电导率和塞贝克系数，结果示于表4中。

实例10至13：

将按实例9获得的P(VP-ANi)涂覆的金纳米粒子与导电PANi按照 实例1中的描述进行结合，不同的是基于PANi，含金量按图4所示变 化。按照实例1的描述测量电导率和塞贝克系数，结果示于表4中。

实例14：

按实例9所描述的合成P(VP-ANi)涂覆的金纳米粒子，不同的是， 在还原金离子前溶液中P(VP-ANi)与金离子(Au³⁺)的摩尔比为1∶1。获 得的P(VP-ANi)涂覆的金纳米粒子的X射线衍射测量表明其衍射峰属 于结晶金。根据峰的形状，确定该结晶的大小为6.9nm。ICP分析表明 含金量为76.0重量％。将这种P(VP-ANi)涂覆的金纳米粒子与导电PANi 按照实例1中所描述的进行结合，不同的是基于PANi，含金量为1.9 重量％。按照实例1的描述测量电导率和塞贝克系数，结果示于表4中。

实例15：

将按实例14中所描述的获得的P(VP-ANi)涂覆的金纳米粒子与导 电PANi按照实例1中的描述进行结合，不同的是基于PANi，含金量 为5.6重量％。按照实例1的描述测量电导率和塞贝克系数，结果示于 表4中。

实例16：

按实例14中所描述的得到P(VP-ANi)涂覆的金纳米粒子，按实例 7中所描述的在聚苯胺聚合过程中混合所述P(VP-ANi)涂覆的金纳米粒 子进行结合，不同的是基于PANi，含金量为1.6重量％。按实例1中 的描述测量电导率和塞贝克系数，结果示于表4中。

比较例3(使用不含苯胺的保护剂的金属纳米粒子-PANi复合材料)：

将按比较例2所描述的合成的PVP涂覆的金纳米粒子与导电PANi 按照比较例2中所描述的进行结合，不同的是基于PANi，含金量为9.9 重量％。按实例1中的描述测量电导率和塞贝克系数，结果示于表4中。

表4

实例17：

通过使用CSA掺杂的PANi作为导电聚合物，按如下方法生产热 电装置。

按照实例1所描述的制备PANi。在玛瑙研钵中混合0.25g的PANi 和0.29g的CSA，加入24.8g的m-甲酚并充分混合。将该溶液涂覆到 基底(经过防粘处理)上，将其干燥并从所述基底上分离，得到厚度 为100μm的PANi膜。获得的PANi膜的电导率为191S/cm，塞贝克系 数为13.4μV/K(均按照实例1所描述的测量)。

将该PANi膜切割成1mm(宽度)×20mm(长度)的条带，将其 以2mm的间距粘附在具有自粘合层的聚酰亚胺胶带的自粘合表面上。 该PANi膜的横截面的扁率为10(＝1mm/100μm)。将该PANi膜与直 径为0.1mm并且长度为20mm的铜线结合，形成单元热电偶。该PANi 膜和铜线通过导电胶(XC-32，Fujikura Kasei Co.，Ltd.(Tokyo，Japan))完 成连接。在聚酰亚胺膜上形成10对单元热电偶，并将它们串联起来制 成热电装置。铜的电导率为6.0×10⁵S/cm，塞贝克系数为1.8μV/K。

将在上述热电装置一侧上设置并且对齐的多个电连接部作为热接 点与加热器接触，并且在室温下进行发电。当热接点温度为179℃时， 另外多个电连接部的温度，即冷接点的温度，为38℃，这在这两个接 点之间存在足够大的温差。此时的输出电压为10.0mV。

实例18：

通过丝网印刷将按实例17所描述的获得的PANi溶液涂覆在聚酰 亚胺膜上。以10mm间距形成8块30mm(宽度)×30mm(长度)的方 形PANi图案，膜厚度为12μm。该PANi图案的电导率为16.5S/cm， 塞贝克系数为13.4μV/K。该PANi图案的扁率为2,500(＝30mm/12μm)。 将该PANi图案与直径为0.1mm并且长度为30mm的铜线结合，形成 单元热电偶。将所述PANi图案和铜线通过导电胶XC-32电连接。在 聚酰亚胺膜上形成8对单元热电偶。进一步将64片这样的膜堆叠在一 起形成512对单元热电偶，这些对单元热电偶串连在一起构成热电装 置。铜的电导率为6.0×10⁵S/cm，塞贝克系数为1.8μV/K。

将在上述堆叠的热电装置一侧上设置的多个电连接部作为热接点 与加热器接触，并且在室温下进行发电。当热接点温度为130℃时，另 外多个电连接部的温度，即冷接点的温度，为70℃，这在这两个接点 之间存在足够大的温差。此时的输出电压为0.14V，输出电流为2.1μA。

实例19：

将聚苯胺(Ormecon NX-C002NB，Nissan Chemicals Industries，Ltd. (Tokyo，Japan))涂覆在聚酰亚胺膜基底上，干燥得到62μm厚的聚苯胺 膜。该聚苯胺膜的电导率为150S/cm，塞贝克系数为13.4μV/K。将所 述膜和基底切割成1mm(宽度)×40mm(长度)的条带，将其以2mm 间距粘附在具有自粘合层的聚酰亚胺胶带的自粘合表面上。有报道称 该导电聚苯胺的热导率为0.02W/(m·K)至0.24W/(m·K)(27℃)(参见H. Yan等人，J.Therm.Anal.Cal.，69，881(2002))。

将镍箔(厚度为20μm)切割成1mm(宽度)×40mm(长度)的 条带，将其置于所述聚酰亚胺胶带自粘合表面上的聚苯胺条带之间。 使用导电胶(XC-32)将所述聚苯胺的一端部和所述镍箔的一端部电连 接，以形成单元热电偶。在所述聚酰亚胺膜上设置10对单元热电偶， 将这些单元热电偶串联制成热电装置。镍的电导率为1.5×10⁵S/cm，塞 贝克系数为-23.2μV/K(27℃)，热导率为90.5W/(m·K)。

将在上述热电装置一侧上设置的多个电连接部作为热接点与加热 器接触，并且在室温下进行发电。当热接点温度为105℃时，另外多个 电连接部的温度，即冷接点的温度，为25℃，这与室温几乎相同，这 在这两个接点之间存在足够大的温差。此时的输出电压为20mV。

沿热流方向从热接点到冷接点测量在热电装置表面上的温度分 布。从热接点起0cm、1cm、2cm、3cm和4cm处的热电装置表面温度 分别为105℃、48℃、35℃、29℃和25℃。

实例20：

对结构与实例18中的堆叠热电装置的结构相同的堆叠热电装置进 行理论上的检查，该堆叠热电装置具有实例4的p-ATP涂覆的金属纳 米粒子-导电PANi复合材料。

根据实例18的实验结果，可通过用输出电压除以输出电流计算得 到装置的电阻值为66.7kΩ(＝0.14V/2.1μA)。根据所用的PANi的电导 率计算得出的单元热电偶的电阻总计为25.9kΩ，因此，估算出装置中 电极之间的接触电阻总计为40.8kΩ。用于估算的计算公式如下：

单元热电偶的电阻

＝PANi电阻+铜线电阻

＝(1/PANi电导率(S/cm))·(长度(cm)/横截面积(cm²))+(1/铜电导率 (S/cm))·(长度(cm)/横截面积(cm²))

＝(1/16.5)×(3/3×12×10^-4)+(1/5.99×10⁵)×(3/7.85×10^-5)

＝50.5Ω+0.0638Ω

＝50.6Ω

装置中总接触电阻

＝装置总电阻-单元热电偶总电阻

＝66.7kΩ-512(对)×50.6Ω

＝66.7kΩ-25.9kΩ

＝40.8kΩ

使用以上结果，用实例4中的p-ATP涂覆的金属粒子-PANi复合 材料代替实例18中使用的材料(PANi)，进行计算。计算的前提条件如 下：

(i)塞贝克系数不变，继而热电装置的输出电压不变；

(ii)热电装置中接触电阻不变；和

(iii)使用实例4中的值382S/cm作为p-ATP涂覆的金属纳米粒子 -PANi复合材料的电导率。

计算结果如下文所示。

单元热电偶的电阻

＝复合材料的电阻+铜线电阻

＝(1/复合材料电导率(S/cm))·(长度(cm)/横截面积(cm²))+(1/铜电 导率(S/cm))·(长度(cm)/横截面积(cm²))

＝(1/382)×(3/3×12×10^-4)+(1/5.99×10⁵)×(3/7.85×10^-5)

＝2.18Ω+0.0638Ω

＝2.24Ω

单元热电偶的总电阻

＝512(对)×2.24Ω

＝1.15kΩ

装置电阻

＝单元热电偶的总电阻+接触电阻

＝1.15kΩ+40.8kΩ

＝约42.0kΩ

输出电流

＝140mV/42.0kQ

＝3.3μA

因此预测，当实例4的金属纳米粒子-导电复合材料用于实例18 的堆叠热电装置时，输出电流变为约1.6倍(3.3μA/2.1μA)大。