DE102017110313A1

DE102017110313A1 - Thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102017110313A1
Application number: DE102017110313.9A
Authority: DE
Inventors: Hiroyuki Suto; Hidenari Yamamoto
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2016-05-13
Filing date: 2017-05-12
Publication date: 2017-11-16
Anticipated expiration: 2037-05-13
Also published as: JP6414137B2; DE102017110313B4; US10103312B2; JP2017204617A; US20170331025A1

Abstract

Eine thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung mit einem thermoelektrischen Umwandler einer n-Art, ein thermoelektrischer Umwandler einer p-Art, eine hochtemperaturseitige Elektrode, mit der ein Ende des thermoelektrischen Umwandlers der n-Art und ein Ende des thermoelektrischen Umwandlers der p-Art in Kontakt gebracht sind, eine mit einem anderen Ende des thermoelektrischen Umwandlers der n-Art in Kontakt stehende erste niedertemperaturseitige Elektrode, und eine mit einem anderen Ende des thermoelektrischen Umwandler der p-Art in Kontakt stehende zweite niedertemperaturseitige Elektrode, wobei bei dem thermoelektrischen Umwandler der n-Art die mit der hochtemperaturseitigen Elektrode in Kontakt stehende Seite aus einem Mg2Sn enthaltenden Ladungsträgererzeugungshalbleiter ausgebildet ist, und in dem thermoelektrischen Umwandler der n-Art die mit der ersten niedertemperaturseitigen Elektrode in Kontakt stehende Seite aus einem Mg2Si1-xSnx mit 0,6 ≤ x ≤ 0,7 und einen ersten n-Dotierstoff enthaltenden Ladungsträgertransferhalbleiter ausgebildet ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft eine thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung. Im Einzelnen betrifft die vorliegende Erfindung eine thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung mit einer hervorragenden Energiegewinnungsleistung bei einer hohen Temperatur.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Um eine von Fabriken, Fahrzeugen, elektronischer Ausrüstung, usw. abgegebene Wärme wirksam zu verwenden, wird eine thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung zur Umwandlung thermischer Energie in elektrische Energie untersucht.
Falls zwischen einem Ende und einem anderen Ende eines Halbleiters ein Temperaturunterschied bereitgestellt wird, wird eine thermoelektromotorische Kraft zwischen einem Ende und einem anderen Ende des Halbleiters erzeugt. Falls beispielsweise die Temperatur an einem Ende eines n-Halbleiters höher als die Temperatur an einem anderen Ende gemacht wird, wird ein Ladungsträger auf der Hochtemperaturseite zu der Niedertemperaturseite (anderes Ende) transferiert, wodurch eine thermoelektromotorische Kraft erzeugt wird. Falls in gleicher Weise ein Temperaturunterschied zwischen einem Ende und einem anderen Ende eines p-Halbleiters bereitgestellt wird, wird eine thermoelektromotorische Kraft in einer Gegenrichtung zu der bei dem Fall eines n-Halbleiters erzeugt.
Bei einer herkömmlichen thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung ergibt ein Temperaturunterschied (Gradient) zwischen einem Hochtemperaturgebiet und einem Niedertemperaturgebiet, d. h., ein Unterschied in der durchschnittlichen kinetischen Energie der Majoritätsladungsträger, eine treibende Kraft (Seebeck-Effekt). Falls beispielsweise ein Temperaturunterschied zwischen einem Hochtemperaturgebiet und einem Niedertemperaturgebiet 300 K ist, wird der Temperaturunterschied in eine durchschnittliche kinetische Energie von ungefähr 28 meV umgewandelt, und die Ausgabe einer einzelnen Vorrichtung ist folglich geringer als 50 mV. Die Vorrichtung kann daher kaum als eine Leistungsvorrichtung nur durch Verbinden einer Elektrode mit beiden Enden eines n-Halbleiters oder eines p-Halbleiters verwendet werden. Dementsprechend werden unterschiedliche Anstrengungen unternommen, um die Vorrichtung als eine Leistungsvorrichtung zu verwenden.
Beispielsweise offenbart die Patentschrift 1 eine sogenannte thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung der n-Art. Bei der thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung der n-Art ist eine gemeinsame Elektrode an einem Ende eines n-Halbleiters und einem Ende eines p-Halbleiters angebracht, und einzelne Elektroden sind jeweils an dem anderen Ende des n-Halbleiters und dem anderen Ende des p-Halbleiters angebracht. Durch Einrichten einer solchen Konfiguration wird eine gesamte thermoelektromotorische Kraft einer durch den n-Halbleiter induzierten thermoelektromotorischen Kraft und einer durch den p-Halbleiter induzierten thermoelektromotorischen Kraft erzielt. Zusätzlich offenbart die Patentschrift 1 eine Verwendung eines n-Halbleiters, der durch Verteilen eines Übergangsmetalls oder eines Silizids eines Übergangsmetalls in mit Bi usw. dotiertem Mg₂S_1-xSn_x erstellt wurde.
STAND DER TECHNIK
Patentschrift

[Patentschrift 1] Japanische Patentanmeldungsschrift Nr. 2013-008747 A

ERFINDUNGSZUSAMMENFASSUNG
Technisches Problem
Hinsichtlich der in der Patentanmeldungsschrift 1 offenbarten thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung der n-Art haben die Erfinder das Problem festgestellt, dass die Energiegewinnungsleistung gering ist, und insbesondere die Energiegewinnungsleistung bei hoher Temperatur gering ist.
Die vorliegende Erfindung wurde in Hinblick auf das vorgenannte Problem gemacht. Im Einzelnen ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung bereitzustellen, die auch bei einer hohen Temperatur eine herausragende Energiegewinnungsleistung zeigt. Soweit nicht anders angegeben, bedeutet die bei der vorliegenden Erfindung verwendete ”hohe Temperatur”, dass bei einer Verwendung der thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung die Temperatur in dem zentralen Teil zwischen einer hochtemperaturseitigen Elektrode und einer niedertemperaturseitigen Elektrode 350°C oder mehr ist.
Lösung des technischen Problems
Als ein Ergebnis der zahlreichen gründlichen Untersuchungen zur Erreichung des vorstehenden Ziels haben die Erfinder die vorliegende Erfindung bewerkstelligt. Deren Kern ist wie folgt.

<1> Thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung mit: einem thermoelektrischen Umwandler einer n-Art, einem thermoelektrischen Umwandler einer p-Art, einer hochtemperaturseitigen Elektrode, mit der ein Ende des thermoelektrischen Umwandlers der n-Art und ein Ende des thermoelektrischen Umwandlers der p-Art in Kontakt steht, einer ersten niedertemperaturseitigen Elektrode, die mit einem anderen Ende des thermoelektrischen Umwandlers der n-Art in Kontakt steht, und einer zweiten niedertemperaturseitigen Elektrode, die mit einem anderen Ende des thermoelektrischen Umwandlers der p-Art in Kontakt steht, wobei bei dem thermoelektrischen Umwandler der n-Art die mit der hochtemperaturseitigen Elektrode in Kontakt stehende Seite aus einem Ladungsträgererzeugungshalbleiter ausgebildet ist, der Mg₂Sn beinhaltetet, und bei dem thermoelektrischen Umwandler der n-Art die mit der ersten niedertemperaturseitigen Elektrode in Kontakt stehende Seite aus einem Ladungsträgertransferhalbleiter ausgebildet ist, der Mg₂Si_1-xSn_x mit 0,6 ≤ x ≤ 0,7 und einen ersten n-Dotierstoff beinhaltet.
<2> Thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung nach Punkt <1>, wobei das Energieniveau an dem oberen Ende des Valenzbandes bei dem Ladungsträgertransferhalbleiter niedriger als bei dem Ladungsträgererzeugungshalbleiter ist.
<3> Thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung nach einem der Punkte <1> oder <2>, wobei sich die Konzentration des ersten n-Dotierstoffes in dem Ladungsträgertransferhalbleiter von der Seite des Ladungsträgererzeugungshalbleiters zu der Seite der ersten niedertemperaturseitigen Elektrode hin erhöht.
<4> Thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung nach Punkt <1> oder <2>, wobei der Ladungsträgertransferhalbleiter eine Vielzahl von Gebieten aufweist, und sich die Konzentration eines ersten n-Dotierstoffes in der Vielzahl von Gebieten von der Seite des Ladungsträgererzeugungshalbleiters zu der Seite der ersten niedertemperaturseitigen Elektroden hin erhöht.
<5> Thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung nach einem der Punkte <1> bis <4>, wobei der erste n-Dotierstoff aus einer Gruppe, die Sb, Bi und Al und deren Kombinationen enthält, ausgewählt ist.
<6> Thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung nach einem der Punkte <1> bis <5>, wobei der Ladungsträgererzeugungshalbleiter ferner einen oder mehrere zweite n-Dotierstoffe enthält, die aus Sb, Bi und Al ausgewählt sind.

Technische Wirkung
Erfindungsgemäß kann die Erzeugung der Majoritätsladungsträger in dem Ladungsträgererzeugungshalbleiter des thermoelektrischen Umwandlers der n-Art gefördert werden, um einen großen Majoritätsladungsträgerdichtegradienten zwischen der hochtemperaturseitigen Elektrode und der ersten niedertemperaturseitigen Elektrode bereitzustellen. Infolgedessen kann erfindungsgemäß eine thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung bereitgestellt werden, die auch bei einer hohen Temperatur aufgrund des Erzielens einer treibenden Kraft zur Energiegewinnung aufgrund des Majoritätsladungsträgerdichtegradienten im Vergleich zu einer herkömmlichen thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung, die sich nur auf den Seebeck-Effekt verlässt, eine hervorragende Energiegewinnungsleistung zeigt.
Darüber hinaus ist das Energieniveau erfindungsgemäß an dem oberen Ende des Valenzbandes bei dem Ladungsträgertransferhalbleiter geringer als bei dem Ladungsträgererzeugungshalbleiter, wodurch die Energiegewinnungsleistung der thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung bei einer hohen Temperatur noch weiter verbessert werden kann.
Kurzbeschreibung der Zeichnung
[1] Eine schematische Darstellung, die ein Beispiel des Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung zeigt.
[2] Eine Darstellung, die die Verteilung der verbotenen Bänder des Ladungsträgererzeugungshalbleiters und des Ladungsträgertransferhalbleiters bei der erfindungsgemäßen thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung zeigt.
[3] Eine Darstellung, die die Beziehung zwischen dem Sn-Anteil in Mg₂Si_1-xSn_x und das Energieniveau zeigt.
[4] Eine Darstellung, die die Verteilung der verbotenen Bänder des Ladungsträgererzeugungshalbleiters und des Ladungsträgertransferhalbleiters bei erfindungsgemäßen der thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung zeigt, bei der der Ladungsträgertransferhalbleiter zwei Gebiete aufweist.
[5] Eine Darstellung, die die Beziehung zwischen der Temperatur T (°C) der Messung und dem Absolutwert (μV/K) des Seebeck-Koeffizienten α zeigt.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Hinsichtlich der erfindungsgemäßen thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung sind deren Ausführungsbeispiele nachstehend ausführlich beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die nachfolgenden Ausführungsbeispiele begrenzt.
Die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung gewinnt durch Verwendung des Seebeck-Effekts Energie. Falls an einem Ende eines Halbleiters die Temperatur höher als die an dem anderen Ende gemacht wird, diffundieren im Einzelnen Ladungsträger mit einer hohen kinetischen Energie auf der Hochtemperaturseite zu der Niedertemperaturseite, wodurch eine thermoelektromotorische Kraft erzeugt wird. Gleichzeitig wird die Energiegewinnungsfähigkeit durch den Seebeck-Koeffizienten α (V/K), der die thermoelektromotorische Kraft pro Temperaturunterschied anzeigt, bewertet.
In einem n-Halbeiter fließt ein Strom von der Niedertemperaturseite zu der Hochtemperaturseite und fließt in einem p-Halbleiter von der Hochtemperaturseite zu der Niedertemperaturseite. Eine diese Strombewegung verwendende hergestellte Vorrichtung, bei der ein n-Halbleiter und ein p-Halbleiter kombiniert sind, eine gemeinsame Elektrode (hochtemperaturseitige Elektrode) an einem Ende angebracht ist, an dem die Temperatur erhöht wird, und einzelne Elektroden (niedertemperaturseitige Elektroden) an den jeweiligen anderen Enden angebracht sind, ist eine thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung einer n-Art.
Bei der herkömmlichen thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung der n-Art ist nur der Seebeck-Effekt eine treibende Kraft zur Energiegewinnung, und die Ausgabespannung zwischen der hochtemperaturseitigen Elektrode und der niedertemperaturseitigen Elektrode ist daher so gering wie ungefähr einige zehn mV.
Falls die Temperatur eines Halbleiters erhöht wird, werden zusammen mit den Majoritätsladungsträgern ebenso Minoritätsladungsträger erzeugt. Bei einem n-Halbleiter ist der Majoritätsladungsträger ein Elektron, und der Minoritätsladungsträger ist ein Loch. Bei dem p-Halbleiter ist der Majoritätsladungsträger ein Loch, und der Minoritätsladungsträger ist ein Elektron.
Bei einer hohen Temperatur tritt in dem Halbleiter eine thermische Anregung übermäßig auf, wodurch nicht nur die Erzeugung von Majoritätsladungsträger, sondern auch die Erzeugung derselben Zahl von Minoritätsladungsträgern bewirkt wird, und daher kann der Effekt der Minoritätsladungsträger auf die Energiegewinnungsleistung einer thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung nicht ignoriert werden. Insbesondere diffundieren diese Minoritätsladungsträger wie die Majoritätsladungsträger von der Hochtemperaturseite zu der Niedertemperaturseite, wodurch im Ergebnis die Energiegewinnungsleistung verringert wird.
Um die Energiegewinnungsleistung der thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung der n-Art bei einer hohen Temperatur zu verbessern, haben die Erfinder die Idee entwickelt, erstens, zu bewirken, dass die treibende Kraft der Majoritätsladungsträger in der Nähe der hochtemperaturseitigen Elektrode erhöht wird, und zweitens, nicht zuzulassen, dass die Minoritätsladungsträger von der hochtemperaturseitigen Elektrode zu der niedertemperaturseitigen Elektrode transferiert werden.
Die Erfinder haben herausgefunden, dass, falls der Majoritätsladungsträgerdichtegradient zwischen der hochtemperaturseitigen Elektrode und der niedertemperaturseitigen Elektrode erhöht wird, die erste Idee verwirklicht werden kann.
Die Erfinder haben ebenso herausgefunden, dass die zweite Idee durch die folgende Konfiguration verwirklicht werden kann. Im Einzelnen haben die Erfinder herausgefunden, dass das Energieniveau des Valenzbandes eines n-thermoelektrischen Umwandlers in einem mit der hochtemperaturseitigen Elektrode in Kontakt stehenden Abschnitt höher als in einem mit der niedertemperaturseitigen Elektrode in Kontakt stehenden Abschnitt gemacht wird, wodurch im Ergebnis ein Transfer der Minoritätsladungsträger von einer hochtemperaturseitigen Elektrode zu einer niedertemperarturseitigen Elektrode kaum auftritt.
Nachstehend ist die Konfiguration des erfindungsgemäßen thermoelektrischen Umwandlungsgerätes auf der Grundlage dieser Ergebnisse beschrieben. 1 zeigt eine schematische Darstellung, die ein Beispiel des Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen thermoelektrischen Umwandlungsgerätes zeigt. Das erfindungsgemäße thermoelektrische Umwandlungsgerät 100 umfasst einen thermoelektrischen Umwandler der n-Art 10 und einen thermoelektrischen Umwandler der p-Art 20. Zusätzlich weist das erfindungsgemäße thermoelektrische Umwandlungsgerät 100 eine hochtemperaturseitige Elektrode 30, eine erste niedertemperaturseitige Elektrode 41 und eine zweite niedertemperaturseitige Elektrode 42 auf.
(Hochtemperaturseitige Elektrode)
Die hochtemperaturseitige Elektrode 30 steht mit einem Ende des thermoelektrischen Umwandlers der n-Art 10 und einem Ende des thermoelektrischen Umwandlers der p-Art 20 in Kontakt. Im Einzelnen ist die hochtemperaturseitige Elektrode 30 eine gemeinsame Elektrode, die von dem thermoelektrischen Umwandler der n-Art 10 mit dem thermoelektrischen Umwandler der p-Art 20 geteilt wird.
Als die hochtemperaturseitige Elektrode 30 kann die hochtemperaturseitige Elektrode des herkömmlichen thermoelektrischen Umwandlungsgerätes der n-Art verwendet werden. Beispiele derer umfassen ein Material auf der Grundlage eines Übergangsmetalls, wie etwa Nickel (Ni), Titan (Ti), Kupfer (Cu), Aluminium (Al) und Eisen (Fe). Insbesondere ist Nickel (Ni) wegen seinem hohen Schmelzpunkt von 1455°C und hervorragender Wärmebeständigkeit bevorzugt.
(Erste niedertemperaturseitige Elektrode und zweite niedertemperaturseitige Elektrode)
Die erste niedertemperaturseitige Elektrode 41 steht mit einem anderen Ende des thermoelektrischen Umwandlers der n-Art 10 in Kontakt, und die zweite niedertemperaturseitige Elektrode 42 steht mit einem anderen Ende des thermoelektrischen Umwandlers der p-Art 20 in Kontakt. Das bedeutet, die erste niedertemperaturseitige Elektrode 41 und die zweite niedertemperaturseitige Elektrode sind getrennte Elektroden.
Als die erste niedertemperaturseitige Elektrode 41 und die zweite niedertemperaturseitige Elektrode 42 können die erste niedertemperaturseitige Elektrode und die zweite niedertemperaturseitige Elektrode des herkömmlichen thermoelektrischen Umwandlungsgerätes der n-Art verwendet werden. Beispiele derer umfassen ein Material auf der Grundlage eines Übergangsmetalls, wie Nickel (Ni), Titan (Ti), Kupfer (Cu), Aluminium (Al) und Eisen (Fe). Nickel (Ni) ist insbesondere wegen seinem hohen Schmelzpunkt von 1455°C und hervorragender Wärmebeständigkeit bevorzugt. Die erste niedertemperaturseitige Elektrode 41 und die zweite niedertemperaturseitige Elektrode 42 können aus derselben Materialart ausgebildet sein, oder können aus verschiedenen Materialarten ausgebildet sein. Zusätzlich können die erste niedertemperaturseitige Elektrode 41 und die hochtemperaturseitige Elektrode 30 aus derselben Materialart ausgebildet sein, oder können aus unterschiedlichen Materialarten ausgebildet sein, und die zweite niedertemperaturseitige Elektrode 42 und die hochtemperaturseitige Elektrode 30 können aus derselben Materialart ausgebildet sein, oder können aus unterschiedlichen Materialarten ausgebildet sein.
(Betrieb des erfindungsgemäßen thermoelektrischen Umwandlungsgerätes)
Falls die Temperatur der hochtemperaturseitigen Elektrode 30 höher als die Temperaturen der ersten niedertemperaturseitigen Elektrode 41 und der zweiten niedertemperaturseitigen Elektrode 42 wird, erzeugt das thermoelektrische Umwandlungsgerät 100 Elektrizität, und durch Verbinden einer (nicht gezeigten) Last wie einem ohmschen Gerät zwischen der ersten niedertemperaturseitigen Elektrode 41 und der zweiten niedertemperaturseitigen Elektrode 42 fließt ein Strom. Im Einzelnen diffundieren innerhalb des thermoelektrischen Umwandlers der n-Art 10 Elektronen von der hochtemperaturseitigen Elektrode 30 zu der niedertemperaturseitigen Elektrode 41, und daher fließt ein Strom von der ersten niedertemperaturseitigen Elektrode 41 zu der hochtemperaturseitigen Elektrode 30. Innerhalb des thermoelektrischen Umwandlers der p-Art 20 diffundieren Löcher von der hochtemperaturseitigen Elektrode 30 zu der zweiten niedertemperaturseitigen Elektrode 42, und daher fließt ein Strom von der hochtemperaturseitigen Elektrode 30 zu der zweiten niedertemperaturseitigen Elektrode 42.
Nachstehend sind der thermoelektrische Umwandler der n-Art 10, der Ladungsträgererzeugungshalbleiter 12, der Ladungsträgertransferhalbleiter 16 und der thermoelektrische Umwandler der p-Art 20 beschrieben.
(Thermoelektrischer Umwandler der n-Art)
Der thermoelektrische Umwandler der n-Art ist aus einem Ladungsträgererzeugungshalbleiter 12 an der mit der hochtemperaturseitigen Elektrode 30 in Kontakt stehenden Seite ausgebildet, und ist aus einem Ladungsträgertransferhalbleiter 16 an der mit der ersten niedertemperaturseitigen Elektrode 41 in Kontakt stehenden Seite ausgebildet.
2 zeigt eine Darstellung, die die Verteilung der verbotenen Bänder des Ladungsträgererzeugungshalbleiters 12 und des Ladungsträgertransferhalbleiters 16 bei dem thermoelektrischen Umwandlungsgerät 100 der vorliegenden Erfindung zeigt. Die seitliche Richtung bei 2 zeigt den Abstand von der hochtemperaturseitigen Elektrode 30 oder den Abstand von der ersten niedertemperaturseitigen Elektrode 41. Der rechte Rand von 2 zeigt eine Kontaktoberfläche zwischen der hochtemperaturseitigen Elektrode 30 und dem Ladungsträgererzeugungshalbleiter 12, und der linke Rand von 2 zeigt eine Kontaktoberfläche zwischen der ersten niedertemperaturseitigen Elektrode 41 und dem Ladungsträgertransferhalbleiter 16. Andererseits zeigt die vertikale Richtung in 2 das Energieniveau. Bei 2 ist ein zu dem oberen Ende näheres Energieniveau höher. Das verbotene Band zeigt bei der Bandstruktur eines Halbleiters Energieniveaus zwischen dem oberen Ende eines von Elektronen besetzten höchsten Energiebandes (Valenzband) und dem unteren Ende eines niedrigsten Energiebandes (Leitungsband).
Um die erste Idee gemäß 2 hinsichtlich der Energieniveaus umzusetzen, ist die Breite des verbotenen Bandes 52 des Ladungsträgererzeugungshalbleiters 12 geringer als die Breite des verbotenen Bandes 56 des Ladungsträgertransferhalbleiters 16. Zusätzlich ist es bevorzugt, dass der Unterschied zwischen dem unteren Ende des Leitungsbandes des Ladungsträgererzeugungshalbleiters 12 und dem unteren Ende des Leitungsbandes des Ladungsträgertransferhalbleiters 16 gering ist, oder das untere Ende des Leitungsbandes des Ladungsträgererzeugungshalbleiters 12 über dem unteren Ende des Leitungsbandes des Ladungsträgertransferhalbleiters 16 angeordnet ist.
Damit ein Elektron in dem Halbleiter das verbotene Band zu dem Leitungsband hin durchqueren kann, muss das Elektron in dem Halbleiter eine Energie (Wärme) absorbieren, die größer als die Breite des verbotenen Bandes ist.
Bei dem herkömmlichen thermoelektrischen Umwandlungsgerät sind zwischen der hochtemperaturseitigen Elektrode 30 und der ersten niedertemperaturseitigen Elektrode 41 ein einzelner thermoelektrischer Umwandlungshalbleiter oder eine Vielzahl von thermoelektrischen Umwandlungshalbleitern durch Heteroübergänge verbunden (sog. „heterojunctioned”) angeordnet, um die Breite des verbotenen Bandes von der Seite der hochtemperaturseitigen Elektrode 30 her zu verringern. Bei dem herkömmlichen thermoelektrischen Umwandlungsgerät ist die treibende Kraft für die Energiegewinnung nur ein Temperaturgradient (Unterschied der kinetischen Energie) zwischen der hochtemperaturseitigen Elektrode 30 und der ersten niedertemperaturseitigen Elektrode 41, und die treibende Kraft ist daher gering. Hierbei weist das herkömmliche thermoelektrische Umwandlungsgerät manchmal eine Struktur auf, bei der gemäß der vorstehenden Beschreibung eine Vielzahl von thermoelektrischen Umwandlungshalbleitern durch Heteroübergänge verbunden sind (Kaskadenart). In diesem Fall sind die Vielzahl der thermoelektrischen Umwandlungshalbleiter in der Reihenfolge einer abnehmenden Breite des verbotenen Bandes von der Seite der hochtemperaturseitigen Elektrode 30 her angeordnet. Eine solche Anordnung dient der Verhinderung einer Erzeugung eines Elektron-Loch-Paares, aber nicht der Verhinderung der Verstärkung der treibenden Kraft selbst zur Energiegewinnung durch einen Ladungsträgerdichtegradienten.
Andererseits sind bei dem thermoelektrischen Umwandlungsgerät 100 zwischen der hochtemperaturseitigen Elektrode 30 und der ersten niedertemperaturseitigen Elektrode 41 verschiedene Halbleiter durch Heteroübergänge verbunden angeordnet. Diese verschiedenen Halbleiter sind ein Ladungsträgererzeugungshalbleiter 12 und ein Ladungsträgertransferhalbleiter 16, und hinsichtlich des Energieniveaus ist die Breite des verbotenen Bandes 52 des Ladungsträgererzeugungshalbleiters 12 kleiner als die Breite des verbotenen Bandes 56 des Ladungsträgertransferhalbleiters 16. Dementsprechend wird der Majoritätsladungsträger in dem Ladungsträgererzeugungshalbleiter 12 leichter als in dem Ladungsträgertransferhalbleiter 16 erzeugt, und die Majoritätsladungsträgerdichte in dem Ladungsträgererzeugungshalbleiter 12 ist daher im Vergleich zu dem Ladungsträgertransferhalbleiter 16 hoch.
Die Breiten der verbotenen Bänder des Ladungsträgererzeugungshalbleiters 12 und des Ladungsträgertransferhalbleiters 16 werden in dieser Art eingestellt, wodurch der Majoritätsladungsträgerdichtegradient zwischen der hochtemperaturseitigen Elektrode 30 und der ersten niedertemperarturseitigen Elektrode 41 vergrößert werden kann. Hinsichtlich des erfindungsgemäßen thermoelektrischen Umwandlungsgerätes 100 kann somit die treibende Kraft der Majoritätsladungsträger bei einer hohen Temperatur erhöht werden. Folglich zeigt das erfindungsgemäße thermoelektrische Umwandlungsgerät 100 bei einer hohen Temperatur eine hervorragende Energiegewinnungsleistung im Vergleich zu dem herkömmlichen thermoelektrischen Umwandlungsgerät.
Nachstehend sind der Ladungsträgererzeugungshalbleiter 12 und der Ladungsträgertransferhalbleiter 16 beschrieben, die die Verteilung der verbotenen Bänder gemäß 2 aufweisen.
(Ladungsträgererzeugungshalbleiter)
Der Ladungsträgererzeugungshalbleiter 12 umfasst Mg₂Sn. Der Ladungsträgererzeugungshalbleiter 12 kann einen Dotierstoff und zusätzlich zu Mg₂Sn einen unvermeidbaren Dotierstoff enthalten. In dem Fall, dass ein Dotierstoff enthalten ist, substituiert der Dotierstoff Mg oder Sn. Da Mg sich in einem Mg₂Sn-Kristall positiv auflädt und Sn sich negativ auflädt, substituiert ein Kation eines Dotierstoffes Mg und ein Anion substituiert Sn. Darüber hinaus ist der Schmelzpunkt von Sn geringer als der Schmelzpunkt von Mg, und eine Mehrheit des Dotierstoffes substituiert Sn. Der Dotierstoff ist nachstehend beschrieben. Die unvermeidbare Verunreinigung zeigt eine Verunreinigung an, deren Einschluss nicht vermieden werden kann, wie etwa eine Verunreinigung, die in einem Ausgangsmaterial enthalten ist oder eine Verunreinigung, die einen bedeutenden Anstieg bei den Herstellungskosten zur Vermeidung ihres Einschlusses erfordert. Die Reinheit des Mg₂Sn (ohne den Dotierstoff) ist in Massen-%, vorzugsweise 99,0% oder größer, bevorzugter 99,5% oder größer, und noch bevorzugter 99,9% oder größer. Mg₂Sn ist nicht speziell begrenzt, solange es ein Halbleiter ist, jedoch der Halbleiter im Allgemeinen ein polykristalliner Halbleiter wie ein gesinterter Körper ist.
Gemäß vorstehender Beschreibung ist die Breite des verbotenen Bandes des Ladungsträgererzeugungshalbleiters 12 geringer als die Breite des verbotenen Bandes des Ladungsträgertransferhalbleiters 16. Da die Hauptkomponente des Ladungsträgererzeugungshalbleiters 12 Mg₂Sn ist, kann es ausreichend sein, dass das verbotene Band von Mg₂Sn schmaler als das verbotene Band der Hauptkomponente des Ladungsträgertransferhalbleiters 16 ist. Die Hauptkomponente des Ladungsträgertransferhalbleiters 16 ist nachstehend beschrieben.
(Ladungsträgertransferhalbleiter)
Der Ladungsträgertransferhalbleiter 16 enthält Mg₂Si_1-xSn_x (0,6 ≤ x ≤ 0,7) und einen ersten n-Dotierstoff. Mg₂Si_1-xSn_x ist ein Halbleiter, bei dem Si in Mg₂Si teilweise durch Sn substituiert ist. Das Substitutionsverhältnis x beträgt zwischen 0,6 und 0,7, wobei die Gründe hierfür nachstehend beschrieben sind.
Der erste n-Dotierstoff wird in einem geringen Umfang zu dem Mg₂Si_1-xSn_x (0,6 ≤ x ≤ 0,7) hinzugefügt, und weist eine Begünstigungswirkung eines Majoritätsladungsträgertransfers innerhalb des Ladungsträgererzeugungshalbleiters 12 auf. Der erste n-Dotierstoff ist insbesondere nicht begrenzt, solange er die vorgenannte Wirkung ausübt. Von dem Standpunkt aus, dass die vorgenannte Wirkung wirksam ausgeübt wird, ist der erste n-Dotierstoff vorzugsweise eines oder mehrere aus Sb, Bi und Al ausgewählte Elemente. Si^3– und Bi^3– sind an Orten des Si und/oder Sn angeordnet, und Al³⁺ ist an dem Ort des Mg angeordnet.
Der erste n-Dotierstoff substituiert eines oder mehrere Elemente ausgewählt von Mg, Si und Sn. Je niedriger der Schmelzpunkt des Elements ist, umso leichter ist die Substitution des Elements. Die Elemente werden leicht in der Reihenfolge Sn, Mg und Si substituiert, und somit substituiert eine Mehrzahl des ersten n-Dotierstoffes Sn.
Der Gehalt des ersten n-Dotierstoffes ist vorzugsweise von 0,010 bis 0,100 Mol. Im Fall, dass zwei oder mehrere Arten von ersten n-Dotierstoffen enthalten sind, ist der Gehalt des ersten n-Dotierstoffes deren Summe. Falls der Gehalt des ersten n-Dotierstoffes 0,010 Mol oder größer ist, ist die vorgenannte Wirkung des n-Dotierstoffes im Wesentlichen anerkannt. Der Gehalt des ersten n-Dotierstoffes kann 0,02 Mol oder größer, oder 0,03 Mol oder größer sein. Falls andererseits der Gehalt des ersten n-Dotierstoffes 0,100 Mol oder kleiner ist, ist die vorgenannte Wirkung nicht saturiert. Der Gehalt des ersten n-Dotierstoffes kann 0,080 Mol oder kleiner, 0,070 Mol oder kleiner, 0,060 Mol oder kleiner, 0,050 Mol oder kleiner, oder 0,040 Mol oder kleiner sein.
Der Ladungsträgertransferhalbleiter 16 kann zusätzlich zu Mg₂Si_1-xSn_x (0,6 ≤ x ≤ 0,7) und dem ersten n-Dotierstoff eine unvermeidbare Verunreinigung enthalten. Die unvermeidbare Verunreinigung bedeutet eine Verunreinigung, deren Einschluss nicht vermieden werden kann, wie etwa eine Verunreinigung, die in einem Ausgangsmaterial enthalten ist, oder eine Verunreinigung, die zur Vermeidung ihres Einschlusses einen bedeutenden Anstieg bei den Herstellungskosten erfordert. Die Reinheit des Mg₂Si_1-xSn_x (0,6 ≤ x ≤ 0,7) (den ersten n-Dotierstoff ausschließend) ist in Massen-%, vorzugsweise 99,0% oder größer, bevorzugter 99,5% oder größer, und noch bevorzugter 99,9% oder größer. Mg₂Si_1-xSn_x (0,6 ≤ x ≤ 0,7) ist insbesondere nicht begrenzt, solange wie es ein Halbleiter ist, jedoch der Halbleiter im Allgemeinen ein polykristalliner Halbleiter wie etwa ein gesinterter Körper ist.
Da die Hauptkomponente des Ladungsträgertransferhalbleiters 16 Mg₂Si_1-xSn_x (0,6 ≤ x ≤ 0,7) ist, ist das verbotene Band des Mg₂Sn kleiner als das verbotene Band des Mg₁Si_1-xSn_x (0,6 ≤ x ≤ 0,7).
3 zeigt eine Darstellung, die die Beziehung zwischen dem Sn-Gehalt in Mg₂Si_1-xSn_x und dem Energieniveau veranschaulicht. Die Abszisse zeigt den Anteil (Substitutionsverhältnis x), in dem Si in Mg₂Si durch Sn substituiert ist, und die Ordinate zeigt das Energieniveau (eV) an. Der linke Rand (x = 0) der Abszisse ist Mg₂Si, und der rechte Rand (x = 1) der Abszisse ist Mg₂Sn. Hierbei ist die Quelle von 3 Wei Liu et al., "Physical Review Letters", 108, 166601, (2012).
Wie aus 3 ersichtlich ist, steigt das obere Ende 71 des Valenzbandes mit steigendem Sn-Gehalt in Mg₂Si_1-xSn_x an, und das untere Ende 72 des Leitungsbandes in einer bestimmten durch Mg₂Si_1-xSn_x repräsentierten Kristallorientierung sinkt mit steigendem Sn-Gehalt in dem Mg₂Si_1-xSn_x ab. In dem Bereich, in dem x des Mg₂Si_1-xSn_x von 0 bis ungefähr 0,5 ist, sinkt das untere Ende 73 des Leitungsbandes bei einer durch Mg₂Si_1-xSn_x repräsentierten unterschiedlichen Kristallorientierung ab, und in dem Bereich, in dem x von ungefähr 0,5 bis 1 ist, steigt das untere Ende 73 des Leitungsbandes bei der durch Mg₂Si_1-xSn_x repräsentierten unterschiedlichen Kristallorientierung an. Aus diesem ist ersichtlich, dass das obere Ende des Valenzbandes nicht von der Kristallorientierung des Mg₂Si_1-xSn_x abhängt, wohingegen das untere Ende des Leitungsbandes von der Kristallorientierung des Mg₂Si_1-xSn_x abhängt.
Das verbotene Band des Mg₂Si_1-xSn_x ist der Unterschied zwischen dem unteren Ende 72 des Leitungsbandes und dem oberen Ende 71 des Valenzbandes, oder der Unterschied zwischen dem unteren Ende 73 des Leitungsbandes und dem oberen Ende 71 des Valenzbandes, welches auch immer kleiner ist. Gemäß vorstehender Beschreibung ist das untere Ende des Leitungsbandes von der Kristallorientierung des Mg₂Si_1-xSn_x abhängig. Damit in dem Mg₂Si_1-xSn_x ein Elektron durch das verbotene Band hindurch in das Leitungsband queren kann, muss das Elektron in dem Mg₂Si_1-xSn_x eine Energie absorbieren, die größer als die Breite des verbotenen Bandes ist. Mg₂Si_1-xSn_x kann ausreichend sein, falls es eine Energie absorbiert, die hinsichtlich irgendeiner Kristallorientierung in dem Mg₂Si_1-xSn_x größer als die Breite des verbotenen Bandes ist. Dementsprechend kann das verbotene Band des Mg₂Si_1-xSn_x die Differenz zwischen dem unteren Ende 72 des Leitungsbandes und dem oberen Ende 71 des Valenzbandes, oder die Differenz zwischen dem unteren Ende 73 des Leitungsbandes und dem oberen Ende 71 des Valenzbandes sein, welches auch immer kleiner ist.
Falls das verbotene Band des Mg₂Si_1-xSn_x in Übereinstimmung mit 3 definiert ist, ist in dem Bereich von 0,6 ≤ x ≤ 0,7 das verbotene Band des Mg₂Sn kleiner als das verbotene Band des Mg₂Si_1-xSn_x. Falls daher ein Temperaturunterschied zwischen Elektroden bereitgestellt ist, wird die Majoritätsladungsträgerdichte des Mg₂Sn enthaltenden Ladungsträgererzeugungshalbleiters 12 größer als die Majoritätsladungsträgerdichte des Mg₂Si_1-xSn_x (0,6 ≤ x ≤ 0,7) und des den ersten n-Dotierstoff enthaltenden Ladungsträgertransferhalbleiters 16. Im Ergebnis ist ein Majoritätsladungsträgerdichtegradient in dem thermoelektrischen Umwandler der n-Art 10 mit dem Ladungsträgererzeugungshalbleiter 12 und dem Ladungsträgertransferhalbleiter 16 erzeugt. Dies ist bedeutend, falls die Temperatur des thermoelektrischen Umwandlungsgerätes 100 hoch ist.
Mg₂Si_1-xSn_x ist ein Halbleiter, bei dem Si in Mg₂Si teilweise durch Sn substituiert ist, und Mg₂Sn ist ein Halbleiter, bei dem Si in Mg₂Si im Gesamten durch Sn substituiert ist. Dementsprechend ist gemäß 3 der Unterschied zwischen dem unteren Ende des Leitungsbandes von Mg₂Sn und dem unteren Ende des Leitungsbandes von Mg₂Si_1-xSn_x klein, und daher transferieren sich die Majoritätsladungsträger von dem Ladungsträgererzeugungshalbleiter 12 leicht zu dem Ladungsträgertransferhalbleiter 16. Falls der Ladungsträgererzeugungshalbleiter 12 und der Ladungsträgertransferhalbleiter 16 durch einen Heteroübergang verbunden werden und nachfolgend wärmebehandelt werden, diffundieren Atome wechselseitig zwischen dem Ladungsträgererzeugungshalbleiter 12 und dem Ladungsträgertransferhalbleiter 16, und der Unterschied zwischen dem unteren Ende des Leitungsbandes des Mg₂Sn und dem unteren Ende des Leitungsbandes des Mg₂Si_1-xSn_x ist weiter verringert.
Der Ladungsträgererzeugungshalbleiter 12 kann eine größere Anzahl von Majoritätsladungsträger durch eine Absorption von so viel Wärme wie möglich von der hochtemperaturseitigen Elektrode 30 erzeugen, und daher ist es bevorzugt, dass innerhalb des Ladungsträgererzeugungshalbleiters 12 der Temperaturgradient so klein wie möglich, und die Temperatur des Ladungsträgererzeugungshalbleiters 12 und die Temperatur der hochtemperaturseitigen Elektrode 30 so identisch wie möglich sind. Dementsprechend ist die Dicke des Ladungsträgererzeugungshalbleiters 12 vorzugsweise nicht zu groß. Andererseits muss der Ladungsträgererzeugungshalbleiter 12 eine Dicke aufweisen, die nicht kleiner als bestimmter Wert ist, damit der Ladungsträgererzeugungshalbleiter 12 eine ausreichende Anzahl von Majoritätsladungsträger erzeugen kann.
Die Dicke des Ladungsträgererzeugungshalbleiters 12 ist vorzugsweise von 2 bis 10% der Dicke des Ladungsträgertransferhalbleiters 16. Falls die Dicke des Ladungsträgererzeugungshalbleiters 12 2% oder mehr der Dicke des Ladungsträgertransferhalbleiters 16 ist, weist der Ladungsträgererzeugungshalbleiter 12 als ein die Majoritätsladungsträger erzeugender Halbleiter keinen Volumenmangel auf. Von diesem Standpunkt aus ist die Dicke des Ladungsträgererzeugungshalbleiters 12 bevorzugter 4% oder mehr, und noch bevorzugter 5% oder mehr der Dicke des Ladungsträgertransferhalbleiters 16. Falls andererseits die Dicke des Ladungsträgererzeugungshalbleiters 12 10% oder kleiner der Dicke des Ladungsträgertransferhalbleiters 16 ist, wird innerhalb des Ladungsträgererzeugungshalbleiters 12 im Wesentlich kein Temperaturgradient erzeugt. Von diesem Standpunkt aus ist die Dicke des Ladungsträgererzeugungshalbleiters 12 bevorzugter 8% oder weniger, und noch bevorzugter 7% oder weniger der Dicke des Ladungsträgertransferhalbleiters 16. Hierbei bedeutet die Dicke des Ladungsträgererzeugungshalbleiters 12 die Länge des Ladungsträgererzeugungshalbleiters 12 in einer zu der hochtemperaturseitigen Elektrode 30 und der ersten niedertemperaturseitigen Elektrode 41 senkrechten Richtung.
Während die Erhöhung der Majoritätsladungsträger vorstehend beschrieben ist, ist nachstehend die vorgenannte zweite Idee des Kaum-Zulassens des Transfers der Minoritätsladungsträger von der hochtemperaturseitigen Elektrode zu der niedertemperaturseitigen Elektrode beschrieben.
(Energieniveau am oberen Ende des Valenzbandes)
Das Energieniveau an dem oberen Ende des Valenzbandes ist in dem Ladungsträgertransferhalbleiter 16 vorzugsweise geringer als in den Ladungsträgererzeugungshalbleiter 12.
Falls bei dem thermoelektrischen Umwandler der n-Art 10 die mit der hochtemperaturseitigen Elektrode 30 in Kontakt stehende Seite der Ladungsträgererzeugungshalbleiter 12 ist, wird durch thermische Anregung in dem Ladungsträgererzeugungshalbleiter 12 dieselbe Anzahl von Minoritätsladungsträger wie die Anzahl der Majoritätsladungsträger erzeugt. Gemäß 3 wird das Energieniveau am oberen Ende des Valenzbandes des Ladungsträgertransferhalbleiters 16 unter das Energieniveau am oberen Ende des Valenzbandes des Ladungsträgererzeugungshalbleiters 12 abgesenkt, und dadurch ist es weniger wahrscheinlich, dass der Minoritätsladungsträger sich von dem Ladungsträgererzeugungshalbleiter 12 aus zu dem Ladungsträgertransferhalbleiter 16 transferiert. In der nachstehenden Beschreibung ist das Absenken des Energieniveaus am oberen Ende des Valenzbandes des Ladungsträgertransferhalbleiters 16 unter das Energieniveau an dem oberen Ende des Valenzbandes des Ladungsträgererzeugungshalbleiters 12 gelegentlich als ”Erzeugen einer Stufe bei dem Energieniveau am oberen Ende des Valenzbandes” bezeichnet.
Um die Erzeugung einer Stufe in dem Energieniveau am oberen Ende des Valenzbandes zu verwirklichen, ist es wirksam, den Gehalt des ersten n-Dotierstoffes in dem Ladungsträgertransferhalbleiter 16 zu erhöhen. Falls der Gehalt des ersten n-Dotierstoffes erhöht wird, kann das Energieniveau am oberen Ende des Valenzbandes des Mg₂Si_1-xSn_x (0,6 ≤ x ≤ 0,7) gesenkt werden. Von diesem Standpunkt aus ist der Gehalt des ersten n-Dotierstoffes vorzugsweise 0,030 Mol oder weniger. Falls andererseits der Gehalt des ersten n-Dotierstoffes 0,100 Mol oder weniger ist, ist die Wirkung der Verringerung des Energieniveaus am oberen Ende des Valenzbandes in Mg₂Si_1-xSn_x (0,6 ≤ x ≤ 0,7) nicht saturiert.
(Konzentration des ersten n-Dotierstoffes in dem Ladungsträgertransferhalbleiter)
Die Konzentration des ersten n-Dotierstoffes in dem Ladungsträgertransferhalbleiter 16 ist vorzugsweise von der Seite des Ladungsträgererzeugungshalbleiters 12 zu der Seite der ersten niedertemperaturseitigen Elektrode 41 hin erhöht. Dadurch kann das Energieniveau an dem unteren Ende des Leitungsbandes in dem Ladungsträgertransferhalbleiter 16 von der Seite des Ladungsträgererzeugungshalbleiters 12 zu der Seite der ersten niedertemperaturseitigen Elektrode 41 hin verringert werden. Folglich wird es für die Majoritätsladungsträger einfach, von der Seite des Ladungsträgererzeugungshalbleiters 12 zu der Seite der ersten niedertemperaturseitigen Elektrode 41 hin innerhalb des Ladungsträgertransferhalbleiter 16 zu transferieren. Die Diffusion der Minoritätsladungsträger zu der ersten niedertemperaturseitigen Elektrode 41 kann unterdrückt werden.
Falls es für die Majoritätsladungsträger einfach wird, sich in den Ladungsträgertransferhalbleiter 16 zu transferieren, wird es für die Majoritätsladungsträger weniger wahrscheinlich, nahe zu der Kontaktoberfläche zwischen dem Ladungsträgertransferhalbleiter 16 und dem Ladungsträgererzeugungshalbleiter 12 zu verbleiben. Nachfolgend ist der Transfer der Majoritätsladungsträger von dem Ladungsträgererzeugungshalbleiter 12 zu dem Ladungsträgertransferhalbleiter 16 erleichtert.
Falls der Ladungsträgertransferhalbleiter 16 ein gesinterter Körper ist, ist es gelegentlich schwierig, die Konzentration des ersten n-Dotierstoffes in dem Ladungsträgertransferhalbleiter 16 von der Seite des Ladungsträgererzeugungshalbleiters 12 zu der Seite der ersten niedertemperaturseitigen Elektrode 41 hin zu erhöhen. In solch einem Fall kann es möglich sein, dass der Ladungsträgertransferhalbleiter 16 eine Vielzahl von Gebieten aufweist, und die Konzentration des ersten n-Dotierstoffes in der Vielzahl der Gebiete von der Seite des Ladungsträgererzeugungshalbleiters 12 zu der Seite der ersten niedertemperaturseitigen Elektrode 41 hin erhöht ist.
4 zeigt eine Darstellung, bei der die Verteilung der verbotenen Bänder des Ladungsträgererzeugungshalbleiters 12 und des Ladungsträgertransferhalbleiters 16 in der erfindungsgemäßen thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung 100 gezeigt ist, bei der der Ladungsträgertransferhalbleiter 16 zwei Gebiete aufweist. Die seitliche Richtung und die vertikale Richtung in 4 sind dieselben wie die seitliche Richtung und die vertikale Richtung von 2. Der Ladungsträgertransferhalbleiter 16 der thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung 100 mit der Verteilung der verbotenen Bänder gemäß 4 umfasst ein mit dem Ladungsträgererzeugungshalbleiter 12 in Kontakt stehendes Gebiet und ein mit der ersten niedertemperaturseitigen Elektrode 41 in Kontakt stehendes Gebiet.
Die Konzentration des ersten n-Dotierstoffes in dem mit der ersten niedertemperaturseitigen Elektrode 41 in Kontakt stehenden Gebiet ist größer als die Konzentration des ersten n-Dotierstoffes in dem mit dem Ladungsträgererzeugungshalbleiter 12 in Kontakt stehenden Gebiet. Gemäß 4 ist dementsprechend das Energieniveau des verbotenen Bandes 58 in dem mit der ersten niedertemperaturseitigen Elektrode 41 in Kontakt stehenden Gebiet geringer als das Energieniveau des verbotenen Bandes 57 des mit dem Ladungsträgererzeugungshalbleiter 12 in Kontakt stehenden Gebietes. Diese Konfiguration erleichtert den Transfer des Majoritätsladungsträgers von der Seite des Ladungsträgererzeugungshalbleiters 12 zu der Seite der ersten niedertemperaturseitigen Elektrode 41 innerhalb des Ladungsträgertransferhalbleiters 16. Bei 4 ist ein Fall beschrieben, bei dem der Ladungsträgertransferhalbleiter 16 zwei Gebiete aufweist, jedoch, ohne darauf begrenzt zu sein, kann der Ladungsträgertransferhalbleiter 16 drei oder mehr Gebiete aufweisen.
Falls gemäß 4 das verbotene Band 58 des mit der ersten niedertemperaturseitigen Elektrode 41 in Kontakt stehenden Gebietes bezogen auf den Temperaturabschnitt T_A um die Größenordnung der Minoritätsladungsträgerdiffusionslänge näher zu der Seite der ersten niedertemperaturseitigen Elektrode 41 vorhanden ist, kann eine Diffusion der Minoritätsladungsträger zu der Seite der ersten niedertemperaturseitigen Elektrode 41 hin unterdrückt werden. Hierbei ist die Temperatur T_A eine durch T_A = E_g(A)/10k_b repräsentierte Temperatur (wobei E_g(A) das Energieniveau des verbotenen Bandes 48 des mit der ersten niedertemperaturseitigen Elektrode 41 in Kontakt stehenden Gebietes ist, und k_b die Boltzmann-Konstante ist).
(Thermoelektrischer Umwandler der p-Art)
Wie bei dem thermoelektrischen Umwandler der n-Art 10, der einen Ladungsträgererzeugungshalbleiter 12 und einen Ladungsträgertransferhalbleiter 16 aufweist, kann der thermoelektrische Umwandler der p-Art 20 gemäß 1 einen Ladungsträgererzeugungshalbleiter 22 und einen Ladungsträgertransferhalbleiter 26 aufweisen. Wahlweise kann es möglich sein, dass der thermoelektrische Umwandler der p-Art 20 keinen Ladungsträgererzeugungshalbleiter 22 aufweist, und der thermoelektrische Umwandler der p-Art 20 kann als ein Ganzes aus einem Ladungsträgertransferhalbleiter 26 ausgebildet sein.
In dem Fall, dass der thermoelektrische Umwandler der p-Art 20 einen Ladungsträgererzeugungshalbleiter 22 und einen Ladungsträgertransferhalbleiter 26 aufweist, ist die Breite des verbotenen Bandes des Ladungsträgererzeugungshalbleiters 22 kleiner als die Breite des verbotenen Bandes des Ladungsträgertransferhalbleiters 26.
(Abwandlung)
Zusätzlich zu den Anforderungen der vorstehend beschriebenen Konfiguration kann, falls notwendig, die erfindungsgemäße thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung 100 die folgenden Konfigurationsanforderungen erfüllen.
(Zweiter n-Dotierstoff)
Der Ladungsträgererzeugungshalbleiter 12 kann ferner einen oder mehrere aus Sb, Bi und Al ausgewählte zweite n-Dotierstoffe enthalten. Ein Enthalten dieses Dotierstoffes erleichtert die Erzeugung der Majoritätsladungsträger in dem Ladungsträgererzeugungshalbleiter 12.
Der Gehalt des zweiten n-Dotierstoffes ist vorzugweise von 0,010 bis 0,100 Mol. In dem Fall, dass zwei oder mehr Arten von zweiten n-Dotierstoffen enthalten sind, ist der Gehalt des zweiten n-Dotierstoffes deren Summe. Falls der Gehalt des zweiten n-Dotierstoffes 0,010 oder größer ist, kann die vorstehend genannte Wirkung des zweiten n-Dotierstoffes im Wesentlichen anerkannt werden. Der Gehalt des zweiten n-Dotierstoffes kann 0,020 Mol oder größer, oder 0,030 Mol oder größer sein. Falls andererseits der Gehalt des zweiten n-Dotierstoffes 0,100 Mol oder kleiner ist, ist die vorstehend genannte Wirkung nicht saturiert. Der Gehalt des zweiten n-Dotierstoffes kann 0,080 Mol oder kleiner, 0,070 Mol oder kleiner, 0,060 Mol oder kleiner, 0,050 Mol oder kleiner, oder 0,040 Mol oder kleiner sein.
Falls der Ladungsträgererzeugungshalbleiter 12 den zweiten n-Dotierstoff enthält, verringert sich das Energieniveau am oberen Ende des Valenzbandes des Ladungsträgererzeugungshalbleiters 12. In dem Fall, dass das Energieniveau an dem oberen Ende des Valenzbandes des Ladungsträgertransferhalbleiters 16 tiefer als das Energieniveau an dem oberen Ende des Valenzbandes des Ladungsträgererzeugungshalbleiters 12 gemacht wird, ist der Gehalt des ersten n-Dotierstoffes vorzugweise größer als der Gehalt des zweiten n-Dotierstoffes. Dadurch wird ein Transfer der Minoritätsladungsträger von dem Ladungsträgererzeugungshalbleiter 12 zu dem Ladungsträgertransferhalbleiter 16 schwierig.
In dem Fall, dass der Ladungsträgererzeugungshalbleiter 12 den zweiten n-Dotierstoff enthält, zeigen sich darüber hinaus die folgenden Vorteile. Dadurch, dass die Konzentration des ersten n-Dotierstoffes des Ladungsträgertransferhalbleiter 16 größer als die Konzentration des zweiten n-Dotierstoffes des Ladungsträgererzeugungshalbleiters 12 gemacht wird, kann das verbotene Band des Ladungsträgertransferhalbleiter 16 weitgehend abgesenkt werden. Dadurch ist der Unterschied zwischen dem unteren Ende des Leitungsbandes des Ladungsträgererzeugungshalbleiters 12 und dem unteren Ende des Leitungsbandes des Ladungsträgertransferhalbleiters 16 weiter verringert. Falls der Unterschied zwischen der Konzentration des zweiten n-Dotierstoffes und der Konzentration des ersten n-Dotierstoffes weiter erhöht wird, kann das untere Ende des Leitungsbandes in einem Gebiet (der Seite der hochtemperaturseitigen Elektrode 30), das von dem Übergang des Ladungsträgererzeugungshalbleiters 12 entfernt ist, so eingestellt werden, dass es oberhalb des Leitungsbandes eines Gebietes gelegen ist, das von dem Übergang des Ladungsträgertransferhalbleiter 16 entfernt ist.
(Herstellungsverfahren)
Das Herstellungsverfahren der erfindungsgemäßen thermoelektrischen Umwandungsvorrichtung ist nachstehend beschrieben. Solange wie die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung die vorstehend beschriebenen Konfigurationsanforderungen erfüllt, ist dessen Herstellungsverfahren nicht speziell begrenzt. Das Herstellungsverfahren umfasst beispielsweise das folgende Herstellungsverfahren.
(Herstellung des Pulvers)
Ein Mg₂Si_1-xSn_x-Pulvers (0,6 ≤ x ≤ 0,7) wird beispielsweise wie folgt hergestellt. Ein Mg-Pulver, ein Si-Pulver und ein Sn-Pulver werden abgewogen, um die durch Mg₂Si_1-xSn_x (0,6 ≤ x ≤ 0,7) repräsentierte Zusammensetzung bereitzustellen. Das Pulver des ersten n-Dotierstoffes wird abgewogen, und diese Pulver werden gemischt, um eine Mischung zu erhalten. Diese Mischung wird erhitzt, um wechselseitig Mg, Si, Sn und ein n-Dotierstoffmittel zu diffundieren, und eine Gesamtheit zu erhalten. Diese Gesamtheit wird zerkleinert, um ein Mg₂Si_1-xSn_x-Pulver (0,6 ≤ x ≤ 0,7) zu erhalten.
Die Partikeldurchmesser des Mg-Pulvers, Si-Pulvers, Sn-Pulvers und des ersten n-Dotierstoffpulvers sind nicht speziell begrenzt, solange wie eine wechselseitige Diffusion von Mg, Si, Sn und des ersten Dotierstoffes nicht behindert ist. Nachstehend bedeutet, soweit nicht anders angegeben, der Partikeldurchmesser den durchschnittlichen Partikeldurchmesser. Der durchschnittliche Partikeldurchmesser stimmt mit dem Mediandurchmesser der Volumenverteilung (d(50)) überein, und die Messung des durchschnittlichen Partikeldurchmessers wird durch ein Partikelgrößenverteilungsmessverfahren der Laserbeugungsart gemessen.
Der Partikeldurchmesser des Mg-Pulvers kann 1 μm oder größer, 10 μm oder größer, 50 μm oder größer, oder 80 μm oder größer sein, und kann 200 μm oder kleiner, 150 μm oder kleiner, 120 μm oder kleiner, oder 100 μm oder kleiner sein.
Der Partikeldurchmesser des Si-Pulvers kann 1 μm oder größer, 10 μm oder größer, oder 40 μm oder größer, und kann 150 μm oder kleiner, 100 μm oder kleiner, oder 50 μm oder kleiner sein.
Der Partikeldurchmesser des Sn-Pulvers kann 1 μm oder größer, 10 μm oder größer, oder 30 μm oder größer sein und kann 100 μm oder kleiner, 70 μm oder kleiner, oder 40 μm oder kleiner sein.
Der Partikeldurchmesser des ersten n-Dotierstoffpulvers kann 1 μm oder größer, 10 μm oder größer, oder 30 μm oder größer sein, und kann 100 μm oder kleiner, 70 μm oder kleiner, oder 40 μm oder kleiner sein.
Die Heiztemperatur ist vorzugsweise eine Temperatur, bei der zumindest entweder das Mg-Pulver oder das Sn-Pulver geschmolzen wird. Die Heiztemperatur kann 600°C oder mehr, 640°C oder mehr, oder 680°C oder mehr sein, und kann 800°C oder weniger, 760°C oder weniger, oder 720°C oder weniger sein.
Die Heizzeit kann geeignet gemäß der Menge des Pulvers gewählt sein. Die Heizzeit kann 60 Minuten oder mehr, 180 Minuten oder mehr, 360 oder mehr, oder 540 Minuten oder mehr sein, und kann 3000 Minuten oder weniger, 1500 Minuten oder weniger, 1000 Minuten oder weniger, oder 800 Minuten oder weniger sein.
Um eine Oxidation des Pulvers zu verhindern, ist die Heizatmosphäre vorzugweise eine Inertgasatmosphäre oder eine reduzierende Atmosphäre. Die Inertgasatmosphäre umfasst eine Stickstoffgasatmosphäre. Die reduzierende Atmosphäre umfasst eine Wasserstoffgasatmosphäre oder eine Mischgasatmosphäre eines Inertgases und eines Wasserstoffgases.
Für den Atmosphärendruck ist eine Atmosphäre verringerten Druckes bevorzugt, damit das Atmosphärengas leicht zwischen die Partikel des gemischten Pulvers kommen kann. Der Atmosphärendruck kann 0,001 MPa oder größer, 0,005 MPa oder größer, oder 0,008 MPa oder größer sein, und kann 0,01 MPa oder weniger, 0,08 MPa oder weniger, 0,06 MPa oder weniger, oder 0,02 MPa oder weniger sein.
Das Mg₂Sn-Pulver wird beispielsweise wie folgt hergestellt. Ein Mg-Pulver und ein Sn-Pulver werden abgewogen, um die durch Mg₂Sn repräsentierte Zusammensetzung bereitzustellen, und diese Pulver werden gemischt, um eine Mischung zu erhalten. Diese Mischung wird geheizt, um wechselseitig Mg und Sn zu diffundieren, und eine Gesamtheit zu erhalten. Diese Gesamtheit wird zerkleinert, um ein Mg₂Sn-Pulver zu erhalten.
Die Partikeldurchmesser des Mg-Pulvers und Sn-Pulvers, die Heiztemperatur, die Heizzeit, die Heizatmosphäre und der Atmosphärendruck folgen denen bei der Vorbereitung des Mg₂Si_1-xSn_x-Pulvers (0,6 ≤ x ≤ 0,7). Für den Fall, dass der zweite n-Dotierstoff zu dem Mg₂Sn hinzugefügt wird, folgen die Partikeldurchmesser des zweiten n-Dotierstoffpulvers den Partikeldurchmessern des ersten n-Dotierstoffpulvers.
Unter Verwendung der somit erhaltenen Pulver wird die thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung wie folgt hergestellt.
Das Mg₂Sn-Pulver wird in eine Form geladen, die ein an ihrer Innenseite ausgebreitetes Kohlenstoffblatt aufweist, und wird verdichtet, um einen ersten Grünling zu erhalten. Nach einem weiteren Beladen des Mg₂Si_1-xSn_x-Pulvers (0,6 ≤ x ≤ 0,7) auf den ersten Grünling, werden diese verdichtet, um einen zweiten Grünling zu erhalten. Der zweite Grünling wird druckgesintert, um einen ersten Sinterkörper zu erhalten. Zusätzlich wird das Pulver eines Ausgangsmaterials, das den thermoelektrischen Umwandler der p-Art ausbildet, in eine Form geladen, und das Pulver wird verdichtet, um einen dritten Grünling zu erhalten. Der dritte Grünling wird druckgesintert, um einen zweiten Sinterkörper zu erhalten. Nachfolgend wird eine gemeinsam geteilte hochtemperaturseitige Elektrode mit einem Ende des ersten Sinterkörpers und einem Ende des zweiten Sinterkörpers verbunden, eine erste niedertemperaturseitige Elektrode wird mit einem anderen Ende des ersten Sinterkörpers verbunden, und eine zweite niedertemperaturseitige Elektrode wird zu einem anderen Ende des zweiten Sinterkörpers verbunden.
Das Verdichtungsverfahren kann ein herkömmliches Verfahren sein und umfasst beispielsweise Pressformen. Die Verdichtungsbedingungen sind nicht speziell begrenzt, solange wie ein Presskörper hergestellt werden kann. Der Verdichtungsdruck kann beispielsweise 10 MPa oder größer, 20 MPa oder größer, oder 30 MPa oder größer sein, und kann 100 MPa oder weniger, 80 MPa oder weniger, 60 MPa oder weniger, oder 40 MPa oder weniger sein.
Das Drucksinterverfahren folgt dem Drucksinterverfahren zum Zeitpunkt der Herstellung der herkömmlichen thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung der n-Art. Das Verfahren umfasst beispielsweise ein Heißpressen (sog. ”Spark Plasma Sintering”, SPS). Der Sinterdruck kann beispielsweise 10 MPa oder größer, 20 MPa oder größer, oder 30 MPa oder größer sein, und kann 100 MPa oder kleiner, 80 MPa oder kleiner, 60 MPa oder kleiner, oder 40 MPa oder kleiner sein. Die Sintertemperatur kann 600°C oder großer, 640°C oder größer, oder 680°C oder größer sein, und kann 800°C oder kleiner, 760°C oder kleiner, oder 720°C oder kleiner sein. Die Sinterzeit kann 10 Minuten oder länger oder 15 oder länger sein, und kann 120 Minuten oder kürzer, 80 Minuten oder kürzer oder 40 Minuten oder kürzer sein. Um eine Oxidation des Pulvers zu verhindern, ist die Sinteratmosphäre vorzugsweise eine Inertgasatmosphäre oder eine reduzierende Atmosphäre. Die Inertgasatmosphäre umfasst eine Stickstoffgasatmosphäre. Die reduzierende Atmosphäre umfasst eine Wasserstoffgasatmosphäre, oder eine Mischgasatmosphäre eines Inertgases und eines Wasserstoffgases.
Das Bindungsverfahren folgt dem Bindungsverfahren zum Zeitpunkt der Herstellung der herkömmlichen thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung der n-Art. Das Verfahren umfasst zum Beispiel ein Löten.
Der erste Grünling oder der erste Sinterkörper wird vorzugsweise wärmebehandelt. Durch die Wärmebehandlung werden Atome, die Mg₂Sn und Mg₂Si_1-xSn_x (0,6 ≤ x ≤ 0,7) ausbilden, wechselseitig dazwischen diffundiert. Infolgedessen ist der Unterschied zwischen dem Energieniveau an dem unteren Ende des Leitungsbandes von Mg₂Sn und dem Energieniveau an dem unteren Ende des Leitungsbandes von Mg₂Si_1-xSn_x (0,6 ≤ x ≤ 0,7) in der Nähe des Übergangs zwischen dem Ladungsträgererzeugungshalbleiter 12 und dem Ladungsträgertransferhalbleiter 16 verringert. Dies erleichtert es, den Majoritätsladungsträgern von dem Ladungsträgererzeugungshalbleiter in den Ladungsträgertransferhalbleiter zu transferieren.
Beispiele
Die vorliegende Erfindung ist nachstehend noch genauer unter Bezugnahme auf Beispiele beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Bedingungen begrenzt, die bei den folgenden Beispielen angewendet werden.
(Vorbereitung der Probe)
Eine Probe, die den thermoelektrischen Umwandler der n-Art 10 der erfindungsgemäßen thermoelektrischen Umwandlungsvorrichtung 100 nachbildet, wurde wie folgt vorbereitet.
(Beispiel)
Ein Mg-Pulver, ein Si-Pulver, ein Sn-Pulver und ein Bi-Pulver wurden abgewogen, um die durch Mg₂Si_0,304Sn_0,660Bi_0,036 repräsentierte Zusammensetzung bereitzustellen, und diese Pulver wurden gemischt. Das gemischte Pulver wurde in ein geschlossenes Gefäß geladen und geheizt. Durch dieses Heizen wurden das Mg-Pulver und das Sn-Pulver geschmolzen, und Mg, Sn und Bi wurden in das Si-Pulver diffundiert. Das massive Material wurde nach dem Heizen zerkleinert, um ein Mg₂Si_0,304Sn_0,660Bi_0,036-Pulver zu erhalten.
Ein Mg-Pulver und ein Sn-Pulver wurden abgewogen, um die durch Mg₂Sn repräsentierte Zusammensetzung bereitzustellen, und diese Pulver wurden gemischt. Das gemischte Pulver wurde in ein geschlossenes Gefäß geladen und geheizt. Durch dieses Heizen wurden sowohl das Mg-Pulver als auch das Sn-Pulver geschmolzen, und Mg und Sn wurden wechselseitig diffundiert. Das massive Material wurde nach dem Heizen zerkleinert, um ein Mg₂Sn-Pulver zu erhalten.

Die Partikeldurchmesser und Mischungsanteile des Mg-Pulvers, Si-Pulvers, Sn-Pulvers und Bi-Pulvers, sowie die Heizbedingungen bei der Vorbereitung des Mg₂Si_0,304Sn_0,660Bi_0,036-Pulvers und des Mg₂Sn-Pulvers sind in Tabelle 1 gezeigt. [Tabelle 1]

		Mischbedingungen		Heizbedingungen
		Partikeldurchmesser (μm)	Mischungsanteil (g)	_Tempe ratur (°C)	Zeit (min)	Atmosphäre	Atmosphärendruck (MPa)
Mg2Si0,304Sn0,660Bi0,036-Pulver Pulver	Mg-Pulver	< 180	1.77340	700	720	Argon	0.01
	Si-Pulver	< 45	0.31150
	Sn-Pulver	< 38	2.85750
	Bi-Pulver	1–2	0.27444
Mg2Sn-Pulver	Mg-Pulver	< 180	2.37500	700	720	Argon	0.01
	Sn-Pulver	< 38	5.57530

Ein Mg₂Sn-Pulver wurde abgewogen, und das Pulver wurde in den unteren Teil einer Form geladen und verdichtet (erste Verdichtung), um einen ersten Grünling zu erhalten. Ein Mg₂Si_0,304Sn_0,660Bi_0,036-Pulver wurde abgewogen, das Pulver wurde in die Form auf den ersten Grünling geladen und verdichtet (zweite Verdichtung), um einen zweiten Grünling zu erhalten. Der zweite Grünling wurde durch das Heißpressverfahren druckgesintert, um einen Sinterkörper zu erhalten. Die Lademengen des Mg₂Sn-Pulvers und Mg₂Si_0,304Sn_0,660Bi_0,036-Pulvers, der erste Verdichtungsdruck, der zweite Verdichtungsdruck und die Drucksinterbedingungen sind in Tabelle 2 gezeigt. Der somit erhaltene Sinterkörper wurde als die Probe des Beispiels verwendet. [Tabelle 2]

	Lademenge (g)	erster Verdichtungsdruck (MPa)	zweiter Verdichtungs druck (MPa)	Drucksinterbedingungen
				Sinterdruck (MPa)	Sintertemperatur (°C)	Sinteratmosphäre	Sinterzeit (min.)
Mg2Sn-Pulver	0.5654	30	30	30	700	Argon	15
Mg2Si0,304Sn0,660Bi0,036-Pulver Pulver	2.6000

(Vergleichsbeispiel)
Die Probe des Vergleichsbeispiels wurde in derselben Weise wie bei dem Beispiel vorbereitet, außer, dass das Mg₂Sn-Pulver nicht vorbereitet wurde und die Probe als ein Ganzes Mg₂Si_0,304Sn_0,660Bi_0,036 war.
(Auswertung)
Der Seebeck-Koeffizient α (μV/K) jeder der Proben des Beispiels und des Vergleichsbeispiels wurde gemessen. Ein Kupferblock wurde mit beiden Enden der säulenförmigen Probe in Kontakt gebracht, und wurde im gesamten auf die Messtemperatur geheizt. Zu dieser Zeit wurde ein Temperaturunterschied von 10°C zwischen einem oberen und einem unteren Kupferblock geschaffen, und die Spannung, bei der der Strom null wird, wurde zwischen zwei Punkten nahe der Mitte der Probe gemessen. Der Absolutwert des Seebeck-Koeffizienten α wurde von dem gemessenen Spannungswert berechnet. Im Übrigen wurde die Temperatur des Kupferblocks auf der mit Mg₂Sn in Kontakt stehenden Seite höher als die des Kupferblocks auf der mit Mg₂Si_0,304Sn_0,660Bi_0,036 in Kontakt stehenden Seite gemacht.
5 zeigt die Ergebnisse. 5 ist eine Darstellung, die die Beziehung zwischen der Messtemperatur T (°C) und dem Absolutwert (μV/K) des Seebeck-Koeffizienten α zeigt. Hierbei ist die Messtemperatur T (°C) die Temperatur nahe dem Mittelteil der Probe.
Wie aus 5 ersichtlich ist, konnte bestätigt werden, dass bei der Probe mit dem Ladungsträgererzeugungshalbleiter 12 (Beispiel) im Vergleich zu der den Ladungsträgererzeugungshalbleiter 12 nicht aufweisenden Probe (Vergleichsbeispiel) der Absolutwert des Seebeck-Koeffizienten zu einer hohen Temperatur hin ansteigt.
Durch diese Ergebnisse konnte verifiziert werden, dass die vorliegende Erfindung herausragende Wirkungen bereitstellt.
Bezugszeichenliste

10: Thermoelektrischer Umwandler der n-Art
12, 22: Ladungsträgererzeugungshalbleiter
16, 26: Ladungsträgertransferhalbleiter
20: Thermoelektrischer Umwandler der p-Art
30: Hochtemperaturseitige Elektrode
41: Erste niedertemperaturseitige Elektrode
42: Zweite niedertemperaturseitige Elektrode
52: Verbotenes Band des Ladungsträgererzeugungshalbleiters
56: Verbotenes Band des Ladungsträgertransferhalbleiters
57: Verbotenes Band in einem mit einem Ladungsträgererzeugungshalbleiter in Kontakt stehenden Gebiet
58: Verbotenes Band in einem mit einer ersten niedertemperaturseitigen Elektrode in Kontakt stehenden Gebiet
100: Thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung

Eine thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung mit einem thermoelektrischen Umwandler einer n-Art, ein thermoelektrischer Umwandler einer p-Art, eine hochtemperaturseitige Elektrode, mit der ein Ende des thermoelektrischen Umwandlers der n-Art und ein Ende des thermoelektrischen Umwandlers der p-Art in Kontakt gebracht sind, eine mit einem anderen Ende des thermoelektrischen Umwandlers der n-Art in Kontakt stehende erste niedertemperaturseitige Elektrode, und eine mit einem anderen Ende des thermoelektrischen Umwandler der p-Art in Kontakt stehende zweite niedertemperaturseitige Elektrode, wobei bei dem thermoelektrischen Umwandler der n-Art die mit der hochtemperaturseitigen Elektrode in Kontakt stehende Seite aus einem Mg₂Sn enthaltenden Ladungsträgererzeugungshalbleiter ausgebildet ist, und in dem thermoelektrischen Umwandler der n-Art die mit der ersten niedertemperaturseitigen Elektrode in Kontakt stehende Seite aus einem Mg₂Si_1-xSn_x mit 0,6 ≤ x ≤ 0,7 und einen ersten n-Dotierstoff enthaltenden Ladungsträgertransferhalbleiter ausgebildet ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2013-008747 A [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Wei Liu et al., ”Physical Review Letters”, 108, 166601, (2012) [0049]

Claims

Thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung, mit: einem thermoelektrischen Umwandler einer n-Art, einem thermoelektrischen Umwandler einer p-Art, einer hochtemperaturseitigen Elektrode, mit der ein Ende des thermoelektrischen Umwandlers der n-Art und ein Ende des thermoelektrischen Umwandlers der p-Art in Kontakt gebracht sind, einer ersten niedertemperaturseitigen Elektrode, die mit einem anderen Ende des thermoelektrischen Umwandlers der n-Art in Kontakt steht, und einer zweiten niedertemperaturseitigen Elektrode, die mit einem anderen Ende des thermoelektrischen Umwandlers der p-Art in Kontakt steht, wobei bei dem thermoelektrischen Umwandler der n-Art die mit der hochtemperaturseitigen Elektrode in Kontakt stehende Seite aus einem Ladungsträgererzeugungshalbleiter ausgebildet ist, der Mg₂Sn beinhaltetet, und bei dem thermoelektrischen Umwandler der n-Art die mit der ersten niedertemperaturseitigen Elektrode in Kontakt stehende Seite aus einem Ladungsträgertransferhalbleiter ausgebildet ist, der Mg₂Si_1-xSn_x mit 0,6 ≤ x ≤ 0,7 und einen ersten n-Dotierstoff beinhaltet.
Thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Energieniveau an dem oberen Ende des Valenzbandes bei dem Ladungsträgertransferhalbleiter niedriger als bei dem Ladungsträgererzeugungshalbleiter ist.
Thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei sich die Konzentration des ersten n-Dotierstoffes in dem Ladungsträgertransferhalbleiter von der Seite des Ladungsträgererzeugungshalbleiters zu der Seite der ersten niedertemperaturseitigen Elektroden hin erhöht.
Thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Ladungsträgertransferhalbleiter eine Vielzahl von Gebieten aufweist, und sich die Konzentration eines ersten n-Dotierstoffes in der Vielzahl von Gebieten von der Seite des Ladungsträgererzeugungshalbleiters zu der Seite der ersten niedertemperaturseitigen Elektroden hin erhöht.
Thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der erste n-Dotierstoff aus einer Gruppe, die Sb, Bi und Al und deren Kombinationen enthält, ausgewählt ist.
Thermoelektrische Umwandlungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Ladungsträgererzeugungshalbleiter ferner einen oder mehrere zweite n-Dotierstoffe enthält, die aus Sb, Bi und Al ausgewählt sind.