DE112011103696T5

DE112011103696T5 - Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterial, Verfahrung zur Herstellung desselben und thermoelektrisches Energieumwandlungselement

Info

Publication number: DE112011103696T5
Application number: DE112011103696T
Authority: DE
Inventors: Takuji Kita; Junya Murai
Original assignee: Toyota Motor Corp
Current assignee: Toyota Motor Corp
Priority date: 2010-11-08
Filing date: 2011-11-07
Publication date: 2013-08-08
Also published as: WO2012063110A2; US20130221290A1; JP2012104560A; CN103201865A; JP5206768B2; WO2012063110A3

Abstract

Ein Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterial wird bereitgestellt, in welchem Kristallkörner einer thermoelektrisches-Material-Stammphase in einer laminaren Konfiguration geschichtet sind und orientiert sind, die Breite der Kristallkörner senkrecht zu der Richtung dieser Orientierung in einem Bereich von zumindest 5 nm bis weniger als 20 nm ist und isolierende Nanoteilchen vorhanden sind, die an den Korngrenzen dispergiert sind. Es wird auch ein Verfahren zum Herstellen eines Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterials bereitgestellt, bei welchem die Kristallkörner einer thermoelektrisches-Material-Stammphase durch Kühlen eines Materials unter Kompression bei einer Kühlrate von zumindest 1°C/Minute bis weniger als 20°C/Minute orientiert werden. Ein thermoelektrisches Energieumwandlungselement, das das zuvor genannte Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterial enthält, wird auch bereitgestellt.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
1. Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterial, ein Verfahren zur Herstellung desselben und ein thermoelektrisches Energieumwandlungselement, das dasselbe enthält. Spezifischer bezieht sich die Erfindung auf ein Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterial, das einen großen Leistungsfaktor aufweist, auf ein Verfahren zur Herstellung dieses Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterials und auf ein thermoelektrisches Energieumwandlungselement, das dieses Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterial enthält.
2. Beschreibung des Stands der Technik
Um die Kunststoffdioxidemissionen angesichts des globalen Erwärmungsproblems zu reduzieren, gab es schon immer ein steigendes Interesse an Technologien, die den Anteil von Energie, der von fossilen Brennstoffen erhalten ist, zu reduzieren. Thermoelektrische Materialien, welche ungenutzte Restwärmeenergie direkt in elektrische Energie umwandeln sind eine dieser Technologien. Ein thermoelektrisches Material ist ein Material, das zum direkten Umwandeln von Wärme in elektrische Energie fähig ist, was den Zweistufenprozess unnötig machen, in welchem, wie in einem Wärmekraftwerk, Wärme temporär in kinetische Energie umgewandelt wird und diese in elektrische Energie umgewandelt wird.
Die Umwandlung von Wärme in elektrische Energie wird gewöhnlich ausgeführt durch Ausnutzen eines Temperaturunterschieds zwischen den beiden Enden eines massiven Körpers, der von einem thermoelektrischen Material gebildet ist. Das Phänomen der Spannungserzeugung durch diesen Temperaturunterschied wird als der Seebeck-Effekt bezeichnet, weil er durch Seebeck entdeckt wurde. Diese Eigenschaft von thermoelektrischen Materialien wird durch die Gütezahl Z dargestellt, wie durch die nachfolgende Gleichung definiert. Z = α²σ/κ (= Pf/κ)
Hier ist α der Seebeck-Koeffizient des thermoelektrischen Materials, σ ist die elektrische Leitfähigkeit (der Kehrwert der elektrischen Leitfähigkeit wird als spezifischer Widerstand bezeichnet) des thermoelektrischen Materials und κ ist die thermische Leitfähigkeit des thermoelektrischen Materials. Der Leistungsfaktor Pf fasst den Term α²σ zusammen. Der Kehrwert der Temperatur ist die Dimension von Z, und ZT, das durch Multiplizieren der absoluten Temperatur mit der Gütezahl Z erhalten ist, ist daher ein dimensionsloser Wert. Dieses ZT wird als die dimensionslose Gütezahl bezeichnet und wird als ein Parameter verwendet, der die Leistung eines thermoelektrischen Materials indiziert. Damit thermoelektrische Materialien weit verbreitete Anwendung finden, muss diese Leistung und insbesondere die Leistung bei niedrigen Temperaturen zusätzlichen Verbesserungen unterzogen werden. Wie es aus der oben bereitgestellten Gleichung ersichtlich ist, benötigt eine Verbesserung der Leistung von thermoelektrischem Material eine niedrigere thermische Leitfähigkeit κ und einen höheren Leistungsfaktor, wobei das letztere durch einen höheren Seebeck-Koeffizienten α und eine höhere elektrische Leitfähigkeit σ (kleineren spezifischen Widerstand) erreicht wird. Allerdings ist es schwierig all diese Faktoren gleichzeitig zu verbessern und es gab unzählige Versuche einen dieser Faktoren von thermoelektrischem Material mit dem Ziel zu verbessern, ein thermoelektrisches Material bereitzustellen, das auch selbst bei niedrigen Temperaturen zum Ausführen einer Umwandlung in elektrische Energie fähig ist.
Zum Beispiel beschreibt die japanische Patentanmeldung, Publikationsnummer 2004-335796 ( JP-A-2004-335796 ) ein thermoelektrisches Halbleitermaterial, das wie folgt hergestellt ist: eine plattengeformte thermoelektrische Halbleitersubstanz, die eine Startlegierung beinhalt, die eine vorher beschriebene Zusammensetzung einer thermoelektrischen Halbleiterverbindung aufweist, wird geschichtet und in eine ungefähre laminare Konfiguration gefüllt und wird verfestigt und geformt, um ein Formteil zu geben, und dieses Formteil wird einem Pressen von einer uniaxialen Richtung senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht zu der Hauptschichtrichtung der thermoelektrischen Halbleitersubstanz unterworfen, um eine plastische Deformation auszuführen, so dass eine Scherkraft in einer koaxialen Richtung im Wesentlichen parallel zu der Hauptschichtrichtung der thermoelektrischen Halbleitersubstanz ausgeübt wird. Es wird spezifisch vorgebracht, dass die thermische Leitfähigkeit mit einem thermoelektrischen Halbleitermaterial reduziert werden kann, für welches das Startformteil durch Verwendung der Zusammensetzung des (Bi-Sb)₂Te₃-Systems für die stöchiometrische Zusammensetzung der thermoelektrischen Halbleiterverbindung und Zugeben von Te im Überschuss zu dieser stöchiometrischen Zusammensetzung hergestellt ist. Allerdings beschreibt JP-A-2004-335796 kein Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterial.
Gemäß dem oben beschriebenen Stand der Technik ist es schwierig, einen großen Leistungsfaktor zu erhalten, selbst wenn die thermische Leitfähigkeit des thermoelektrischen Halbleitermaterials reduziert werden kann, und die Verbesserung der Gütezahl ist nicht zufriedenstellend. Um zusätzliche Verbesserungen in der Leistung des thermoelektrischen Energieumwandlungsmaterials zu erreichen, haben die Erfinder eine Patentanmeldung ( japanische Patentanmeldungsnr. 2009-285380 ) auf eine Erfindung eingereicht, die sich auf ein Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterial bezieht, in welchem Nanoteilchen von einem Dispergens in einer thermoelektrisches-Material-Stammphase dispergiert sind. Dieses Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterial kann eine signifikante Reduzierung in der thermischen Leitfähigkeit bereitstellen, aber verändert nicht den Seebeck-Koeffizienten α, und zusätzliche Verbesserungen in der Gütezahl sind deshalb notwendig.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Angesichts der oben beschriebenen Probleme stellt die Erfindung durch Verbessern des Seebeck-Koeffizienten α über den der nicht-orientierten Nanokomposite ein Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterial bereit, das einen erhöhten Leistungsfaktor selbst bei niedrigen Temperaturen aufweist. Die Erfindung stellt auch ein Verfahren zur Herstellung dieses Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterials und ein thermoelektrisches Energieumwandlungselement bereit, das dieses Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterial enthält.
In einem Aspekt der Erfindung wird ein Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterial bereitgestellt, in welchem Kristallkörner einer thermoelektrisches-Material-Stammphase in einer laminaren Konfiguration geschichtet sind und orientiert sind, wobei eine Breite der Kristallkörner senkrecht zu einer Richtung dieser Orientierung in einem Bereich von zumindest 5 nm bis weniger als 20 nm ist und isolierende Nanoteilchen vorhanden sind, die an den Korngrenzen dispergiert sind.
In einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterial bereitgestellt, wobei dieses Verfahren das Unterwerfen eines Materials, das isolierende Nanoteilchen dispergiert in einer thermoelektrisches-Material-Stammphase aufweist und das zu einer Temperatur erwärmt ist, die höher als oder gleich zu einem Erweichungspunkt des thermoelektrischen Materials ist, einer Orientierung der Kristallkörner der thermoelektrisches-Material-Stammphase durch Kühlen unter Kompression bei einer Kühlungsrate von zumindest 1°C/Minute bis weniger als 20°C/Minute beinhaltet.
Gemäß einem anderen Aspekt stellt die Erfindung das Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterial bereit, das durch das zuvor genannte Verfahren erhalten ist. Gemäß einem noch anderen Aspekt stellt die Erfindung ein thermoelektrisches Energieumwandlungselement bereit, das das zuvor genannte Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterial enthält.
In der Erfindung bedeutet isolierende Nanoteilchen fein getrennte isolierende Teilchen mit einem Teilchendurchmesser von nicht mehr als 100 nm, zum Beispiel nicht mehr als 50 nm, und insbesondere in einem Bereich von 0,1 bis 10 nm. Die Breite der Kristallkörner senkrecht zu der Richtung der Orientierung bezieht sich in der Erfindung auf die Breite von irgendeinem willkürlich ausgewählten Kristallkorn der thermoelektrisches-Material-Stammphase, wie durch das Verfahren bestimmt, das unten in dem Beispiel Abschnitt beschrieben ist. Zusätzlich ist die Richtung der Orientierung in der Erfindung die Richtung parallel zu der Richtung der Elektronenleitung in dem Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterial.
Ein Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterial mit einem erhöhten Leistungsfaktor kann gemäß der Erfindung selbst bei niedrigen Temperaturen durch Verbessern des Seebeck-Koeffizienten α gegenüber dem des nicht-orientierten Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterials erhalten werden. Zusätzlich macht es die Erfindung möglich, einfach und bequem ein Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterial zu erhalten, das selbst bei niedrigen Temperaturen mittels eines verbesserten Seebeck-Koeffizienten α einen erhöhten Leistungsfaktor gegenüber dem des nicht-orientierten Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterials aufweist. Die Erfindung kann auch ein thermoelektrisches Energieumwandlungselement bereitstellen, das ein Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterial enthält, das selbst bei niedrigen Temperaturen durch eine Verbesserung in dem Seebeck-Koeffizienten α einen erhöhten Leistungsfaktor gegenüber dem nicht-orientierten Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterial aufweist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Merkmale, Vorteile und technische und industrielle Signifikanz dieser Erfindung wird in der folgenden detaillierten Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen, in welchen gleiche Zahlen gleiche Elemente bezeichnen, beschrieben, und wobei:
1 ist ein vergrößertes partielles schematisches Diagramm eines Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterials einer Ausführungsform der Erfindung;
2 ist ein vergrößertes partielles schematisches Diagramm zum Beschreiben eines Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterials einer Ausführungsform der Erfindung;
3 ist ein schematisches Diagramm von einer Vorrichtung, die verwendet wird, um ein Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterial von einer Ausführungsform der Erfindung herzustellen;
4 ist ein vergrößertes schematisches Diagramm eines Kristallkorns, in welchem isolierende Nanoteilchen in einer thermoelektrisches-Material-Stammphase dispergiert sind, vor der Orientierung, die in einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens der Erfindung verwendet wird;
5 ist ein vergrößertes schematisches Diagramm eines Kristallkorns eines Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterials, das gemäß einer Ausführungsform des Herstellungsverfahrens der Erfindung erhalten ist;
6 ist ein Graph, der einen Vergleich des Seebeck-Koeffizienten des Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterials, das in dem Beispiel erhalten ist, mit dem Seebeck-Koeffizienten des Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterials, das in den Vergleichsbeispielen erhalten ist, zeigt;
7 ist ein Graph, der einen Vergleich des spezifischen Widerstands des Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterials, das in dem Beispiel erhalten ist, mit dem spezifischen Widerstand des Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterials, das in den Vergleichsbeispielen erhalten ist, zeigt;
8 ist ein Graph, der einen Vergleich des Leistungsfaktors des Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterials, das in dem Beispiel erhalten ist, mit dem Leistungsfaktor den Nanokompositen, die in den Vergleichsbeispielen erhalten sind, zeigt;
9 ist ein Graph, der einen Vergleich des ZT des Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterials, das in dem Beispiel erhalten ist, mit dem ZT des Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterials, das in den Vergleichsbeispielen erhalten ist, zeigt;
10 ist ein Graph, der für ein Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterial, das basierend auf dem Stand der Technik erhalten ist, die Beziehung zwischen dem Seebeck-Koeffizienten und der Temperatur zeigt;
11 ist ein Graph, der für ein Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterial, das basierend auf dem Stand der Technik erhalten ist, die Beziehung zwischen der thermischen Leitfähigkeit und der Temperatur zeigt;
12 ist ein Graph, der für ein Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterial, das basierend auf dem Stand der Technik erhalten ist, die Beziehung zwischen ZT und der Temperatur zeigt;
13 ist eine Reproduktion eines stark vergrößerten Transmissionselektronenmikroskop(TEM)-Bildes des Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterials, das in dem Beispiel erhalten ist, von der Ansicht A in 2;
14 ist eine Reproduktion eines stark vergrößerten TEM Bildes des Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterials, das in dem Beispiel erhalten ist, bei einer unterschiedlichen Vergrößerung und von der Ansicht A in 2;
15 ist eine Reproduktion eines mittelmäßig vergrößerten TEM Bildes des Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterials, das in dem Beispiel erhalten ist, von der Ansicht A in 2;
16 ist eine Reproduktion eines noch stärker vergrößerten TEM Bildes des Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterials, das in dem Beispiel erhalten ist, von der Ansicht A in 2;
17 ist eine Reproduktion eines stark vergrößerten TEM Bildes des Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterials, das in dem Beispiel erhalten ist, von der Ansicht B in 2;
18 ist eine Reproduktion eines stark vergrößerten TEM Bildes des Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterials, das im Vergleichsbeispiel 2 erhalten ist, von der Ansicht A in 2;
19 ist eine Reproduktion eines stark vergrößerten TEM Bildes des Nanokomposit-thermoelektrischen Energieumwandlungsmaterials, das im Vergleichsbeispiel 2 erhalten ist, bei einer unterschiedlichen Vergrößerung und von der Ansicht A in 2; und
20 ist ein schematisches Diagramm eines Beispiels eines thermoelektrischen Energieumwandlungselements der Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, kann durch ein Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterial, in welchem Kristallkörner einer thermoelektrisches-Material-Stammphase in einer laminaren Konfiguration geschichtet sind und orientiert sind, wobei die Breite der Kristallkörner senkrecht zu dieser Richtung der Orientierung in dem Bereich von zumindest 5 nm bis weniger als 20 nm ist, und isolierende Nanoteilchen vorhanden sind, die an den Korngrenzen dispergiert sind, ein Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterial erhalten werden, das im Vergleich zu dem Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterial vor der Orientierung durch einen verbesserten Seebeck-Koeffizienten α einen erhöhten Leistungsfaktor aufweist. Zusätzlich kann im Vergleich zu dem Nanokomposit-thermoelektrischen Energieumwandlungsmaterial vor der Orientierung, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, durch das Unterwerfen eines Materials, das isolierende Nanoteilchen dispergiert in einer thermoelektrisches-Material-Stammphase aufweist und das zu einer Temperatur erwärmt ist, die größer als oder gleich zu dem Erweichungspunkt des thermoelektrischen Materials ist, zur Orientierung der Kristallkörner der thermoelektrisches-Material-Stammphase durch Kühlen unter Kompression bei einer Kühlungsrate von zumindest 1°C/Minute bis weniger als 20°C/Minute ein Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterial mit einem erhöhten Leistungsfaktor durch einen verbesserten Seebeck-Koeffizienten α leicht und bequem erhalten werden. Überdies kann das durch dieses Verfahren erhaltene Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterial ein Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterial bereitstellen, das im Vergleich zu dem Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterial vor der Orientierung durch einen verbesserten Seebeck-Koeffizienten α einen erhöhten Leistungsfaktor aufweist. Ein Hochleistungselement, in welchem der Leistungsfaktor durch Verbessern des Seebeck-Koeffizienten α des Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterials erhöht ist, kann gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung durch die Verwendung eines thermoelektrischen Energieumwandlungselements erhalten werden, das das zuvor genannte Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterial enthält.
Die Erfindung ist nachfolgend unter Verwendung der 1 bis 20 beschrieben. Wie in 1, 2, 5 und 13 bis 17 gezeigt, sind in dem Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterial, das eine Ausführungsform der Erfindung ist, zum Beispiel in dem Fall der (Bi, Sb)₂(Te, Sc)₃-Kristallkörner des BiTe-Systems, die Kristallkörner der Stammphase, welche eine parallel ausgerichtete Kristallorientierung aufweist, in einer laminaren Konfiguration geschichtet und sind ausgerichtet, und isolierende Nanoteilchen sind vorhanden, die an den Korngrenzen dispergiert sind. Wie in 13 bis 16 gezeigt, ist die Breite der Kristallkörner senkrecht zu dieser Richtung der Orientierung in dem Bereich von zumindest 5 nm bis nicht mehr als 20 nm. Wie in 2 gezeigt, kann die Richtung der Leitung für Wärme und Elektrizität in der Ebene senkrecht zu der Richtung sein, die komprimiert ist. Die Herstellung ist schwierig, wenn diese Post-Orientierungskristallkornbreite geringer als die oben angezeigte Untergrenze ist, während keine Verbesserung in dem Seebeck-Koeffizienten α erwartet werden kann bei größer als oder gleich der oben angezeigten Obergrenze. Im Gegensatz dazu, wie in 4, 18 und 19 gezeigt, sind in einem Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterial außerhalb des Bereichs der Erfindung die Kristallkörner der Stammphase nicht orientiert und die isolierenden Nanoteilchen sind innerhalb der Kristallkörner vorhanden.
Überdies, wie in 6, 8, 10 und 12 gezeigt, hat das Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterial gemäß der Ausführungsform der Erfindung und das die oben beschriebene Struktur aufweist, selbst in einem Niedrigtemperaturbereich, zum Beispiel bei Temperaturen in dem Bereich von ungefähr 30°C bis ungefähr 50°C, einen Seebeck Koeffizienten und ein ZT, die höher sind als für gewöhnlich verfügbares thermoelektrisches Material, das im Journal of Crystal Growth, 277 (2005) 258–263 beschrieben ist. Überdies, wie in 6 bis 9 gezeigt, hat selbst in einem Niedrigtemperaturbereich, zum Beispiel bei Temperaturen in dem Bereich von ungefähr 30°C bis ungefähr 50°C, das Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterial gemäß der Ausführungsform der Erfindung und das die oben beschriebene Struktur aufweist, im Vergleich zu dem Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterial vor der Orientierung einen erhöhten Seebeck Koeffizienten, einen reduzierten spezifischen Widerstand, einen erhöhten Leistungsfaktor, zum Beispiel ungefähr vierfach, und einen ungefähr vierfach erhöhten ZT.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann das Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterial der Erfindung unter Verwendung von zum Beispiel der Orientierungsvorrichtung erhalten werden, die in 3 gezeigt ist, durch Unterwerfen eines Materials, das isolierend Nanoteilchen dispergiert in einer thermoelektrisches-Material-Stammphase aufweist und das zu einer Temperatur erwärmt ist, die größer als oder gleich zu dem Erweichungspunkt des thermoelektrischen Materials ist, zur Orientierung der Kristallkörner der thermoelektrisches-Material-Stammphase durch Kühlen unter Kompression bei einer Kühlungsrate von zumindest 1°C/min bis weniger als 20°C/min. Wie in 6 bis 9 gezeigt, hat das Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterial, das durch diese Ausführungsform des Verfahrens der Erfindung erhalten ist, im Vergleich zu einem Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterial, das unter Verwendung einer Kühlungsrate erhalten ist, die größer ist als der oben beschriebene Bereich für die Erfindung, d. h. ein Quench-Verfahren, einen höheren Seebeck-Koeffizienten, einen gleichen spezifischen Widerstand, einen höheren Leistungsfaktor und einen zumindest 50% höheren ZT in dem Niedrigtemperaturbereich, zum Beispiel in dem Temperaturbereich von ungefähr 30°C bis ungefähr 50°C.
In einer Ausführungsform der Erfindung hat ein thermoelektrisches Energieumwandlungselement 10 der Erfindung, wie in 20 gezeigt, ein thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterial 1 (einen p-Typ-thermoelektrisches-Energieumwandlungsmaterial-Hauptkörper), der von einem Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterial gemäß der Erfindung gebildet ist, das ein p-Typ Halbleiter ist, das parallel mit einem thermoelektrischen Energieumwandlungsmaterial 2 (einem n-Typ-thermoelektrisches-Energieumwandlungsmaterial-Hauptkörper) ausgerichtet ist, das ein n-Typ Halbleiter ist, während eine terminale Elektrode 3, eine andere terminale Elektrode 4 und eine gemeinsame Elektrode 5 in Reihe geschaltet sind. Ein unteres isolierendes Substrat 6 ist zu der Außenseite der gemeinsamen Elektrode 5 verbunden. Ein oberes isolierendes Substrat 7 ist zu der Außenseite der terminalen Elektrode 3 und der terminalen Elektrode 4 verbunden. Wenn ein Temperaturunterschied über die unteren und oberen isolierenden Substrate 6, 7 angewandt wird, wobei das obere isolierende Substrat 7 für die niedrigere Temperatur (L) und das untere isolierende Substrat 6 für die höhere Temperatur (H) verwendet wird, wandern die positiv geladenen Löcher in dem p-Typ-Halbleiter-thermoelektrisches-Energieumwandlungsmaterial 1 zu der Seite der niedrigeren Temperatur L, während in dem n-Typ-Halbleiter-thermoelektrisches-Energieumwandlungsmaterial 2 die negativ geladenen Elektroden zu der Seite der niedrigeren Temperatur L wandern. Als ein Ergebnis wird ein Potenzialunterschied zwischen der terminalen Elektrode 3 und der terminalen Elektrode 4 hergestellt. Wenn ein Temperaturunterschied angewandt wird, wird die terminale Elektrode 3 positiv und die terminale Elektrode 4 wird negativ. Höhere Spannungen können durch Verbinden des p-Typ-thermoelektrisches-Energieumwandlungsmaterialaggregats 1 in seriellem Wechsel mit dem n-Typ-thermoelektrisches-Energieumwandlungsmaterial 2 erhalten werden.
Das Dispergens in der Erfindung können beispielhaft anorganische isolierende Materialien sein, z. B. Aluminiumoxid, Zirkoniumdioxid, Titandioxid, Magnesiumoxid, Siliziumdioxid, Kompositoxide, die die Vorhergehenden enthalten, Siliziumkarbid, Aluminiumnitrid und Siliziumnitrid. Unter diesen vorher genannten sind Siliziumdioxid, Zirkoniumdioxid und Titandioxid wegen ihrer niedrigen thermischen Leitfähigkeiten vorteilhaft. Ein einzelnes isolierendes Material kann als das Dispergens verwendet werden oder zwei oder mehr isolierende Materialien können in Kombination als das Dispergens verwendet werden.
Es gibt keine besonderen Beschränkungen in der Erfindung für das thermoelektrische Material und dieses thermoelektrische Material kann beispielhaft Materialien sein, die zumindest zwei oder mehr Elemente ausgewählt aus Bi, Sb, Ag, Pb, Ge, Cu, Sn, As, Se, Te, Fe, Mn, Co und Si enthalten, z. B. das BiTe-System und Kristalle von einer CoSb₃-Verbindung, in welcher Co und Sb die Hauptkomponenten sind, aber welche ein anderes Element als Co und Sb, z. B. ein Übergangsmetall, enthält. Dieses Übergangsmetall kann beispielhaft Cr, Mn, Fe, Ru, Ni, Pt und Cu sein. Vorteilhafte Beispiele des thermoelektrischen Materials sind das (Bi, Sb)₂(Te, Se)₃-System, das Bi₂Te₃-System, das (Bi, Sb)Te-System, das Bi(Te, Se)-System, das CoSb₃-System, das PbTe-System und das SiGe-System. Thermoelektrische Materialien, die Ni unter den zuvor genannten Übergangsmetallen enthalten, und insbesondere thermoelektrische Materialien mit der chemischen Zusammensetzung Co_1-xNi_xSb_y (in der Formel, 0.03 < x < 0.09, 2.7 < y < 3.4), stellen n-Typ thermoelektrische Materialien bereit, während thermoelektrische Materialien, die Fe, Sn oder Ge in der Zusammensetzungen enthalten, z. B. thermoelektrische Materialien, für welche die chemische Zusammensetzung CoSb_pSn_q oder CoSb_pGe_q (in der Formel, 2.7 < p < 3.4, 0 < q < 0.4, p + q > 3) ist, können p-Typ thermoelektrische Materialien bereitstellen.
Das Material, das isolierende Nanoteilchen dispergiert in einer thermoelektrisches-Material-Stammphase aufweist, das in dem Verfahren der Erfindung verwendet wird, kann z. B. erhalten werden durch Ausführen der folgenden Sequenz: Synthese durch die tropfenweise Zugabe einer Lösungsmittellösung eines Reduktionsmittels in eine Aufschlämmung, die die Salze von Präkursor-Substanzen für das thermoelektrische Material und Nanoteilchen des Dispergenses enthält; Trennen und Wiedergewinnen des festen Bestandteils von dem Lösungsmittel und Legieren durch hydrothermale Behandlung, um das thermoelektrische Material zu erhalten; und Trocknen. Die Salze der Präkursor-Substanzen für das thermoelektrische Material können beispielhaft das Salz von zumindest einem oder mehreren Elementen ausgewählt aus Bi, Sb, Ag, Pb, Ge, Cu, Sn, As, Se, Te, Fe, Mn, Co und Si, z. B. ein Salz von Bi, Co, Ni, Sn oder Ge, z. B. ein Halogenid dieser Elemente, wie etwa das Chlorid, Fluorid oder Bromid und bevorzugt das Chlorid, oder das Sulfatsalz, Nitratsalz usw. dieser Elemente sein. Beispiele von anderen Salze der thermoelektrischen Materialien sind die Salze von anderen als den zuvor genannten Elementen, z. B. ein Salz von Sb, z. B. ein Halogenid solcher Elemente, wie etwa das Chlorid, Fluorid oder Bromid und bevorzugt das Chlorid, oder das Sulfatsalz, Nitratsalz usw. solcher Elemente.
Das Lösungsmittel, das verwendet wird um die Aufschlämmung zu geben, sollte zum einheitlichen Dispergieren der zuvor genannten thermoelektrischen Materialien fähig sein und sollte insbesondere zum Lösen der zuvor genannten thermoelektrischen Materialien fähig sein, ist aber anderweitig nicht besonders beschränkt. Dieses Lösungsmittel kann beispielhaft Methanol, Ethanol, Isopropanol, Dimethylacetamid und N-Methylpyrrolidon sein, wobei Alkohole, wie etwa Methanol und Ethanol, bevorzugt sind.
Das Reduktionsmittel sollte zum Reduzieren der Salze der zuvor genannten thermoelektrischen Materialien fähig sein, ist aber anderweitig nicht besonders beschränkt. Dieses Reduktionsmittel kann beispielhaft tertiäres Phosphin, sekundäres Phosphin und primäres Phosphin, Hydrazin, Hydroxyphenyl-Verbindungen, Wasserstoff, Hydride, Boran, Aldehyde, reduzierende Halogenverbindungen und multifunktionale Reduktionsmittel sein. Stärker spezifische Beispiele sind zumindest ein Alkaliborhydrid, z. B. Natriumborhydrid, Kaliumborhydrid und Lithiumborhydrid.
Dieses Verfahren stellt thermoelektrisches Material/Dispergens-Kompositnanopartikel als eine Aufschlämmung in dem Lösungsmittel, z. B. Ethanol, bereit, und die Kompositnanoteilchen werden daher in herkömmlicher Weise filtriert und unter Verwendung eines Lösungsmittels, z. B. Ethanol, oder eines gemischten Lösungsmittels einer großen Menge an Wasser und einer geringen Menge an Lösungsmittel (z. B. Wasser:Lösungsmittel = 100:25 bis 75 als das Volumenverhältnis) gewaschen. Legieren kann dann durch Ausführen einer hydrothermalen Behandlung in einem verschlossenen unter Druck gesetzten Gefäß z. B. einem verschlossenen Autoklav, bei einer Temperatur von 200 bis 400°C für zumindest 10 Stunden, z. B. 10 bis 100 Stunden und insbesondere ungefähr 24 bis 100 Stunden, ausgeführt werden. Ein pulverförmiges Material, in welchem Kompositformation im Nanogrößenbereich auftrat kann dann herkömmlich durch Trocknen in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre, z. B. einer Inertatmosphäre, erhalten werden.
Das Verfahren der Erfindung verwendet ein Material, in welchem isolierende Nanoteilchen in der thermoelektrisches-Material-Stammphase dispergiert sind. Dieses Material kann als ein massiver Körper erhalten werden, durch Unterwerfen des vorher beschriebenen pulverförmigen thermoelektrisches-Material-Startmaterials zu einem indirekten Erwärmen (HP) oder Spark-Plasma-Sintering (SPS) bei hoher Temperatur, z. B. 300 bis 600°C. Dieses Verfahren kann ein massives Material für die Produktion des Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterials bereitstellen, in welchem Nanoteilchen des Dispergenses in einer thermoelektrisches-Material-Stammphase dispergiert sind.
Dieses SPS-Sintern kann ausgeführt werden unter Verwendung einer SPS Sintervorrichtung die mit Matrizen (obere, untere), Elektroden (obere, untere), Stempel und einer Druck-ausübenden Einrichtung ausgestattet ist. Für den Fall von HP wird ein Strom in eine Widerstandsheizung eingeführt, die so angeordnet ist, dass sie einen ersten Stempel und einen zweiten Stempel für das thermoelektrische Material umgeben. Die erwärmte Widerstandsheizung wird als ein Heizer zum Erwärmen des ersten Stempels und des zweiten Stempels und auch des thermoelektrischen Materials angewendet, und wie notwendig, wird eine Kompression unter Verwendung der Stempel ausgeführt. In dem Fall des Sinterns kann nur die Sinterkammer der Sintervorrichtung von der Atmosphäre isoliert und unter eine Inertsinteratmosphäre gesetzt werden, oder das gesamte System kann in einem Gehäuse verschlossen sein und unter eine Inertatmosphäre gesetzt sein.
Das Verfahren der Erfindung kann ausgeführt werden durch Bewirken der Orientierung der Kristallkörner der thermoelektrisches-Material-Stammphase durch Erwärmen durch SPS Sintern oder HP und dann Kühlen unter Kompression bei einer Kühlungsrate von zumindest 1°C/Minute, aber weniger als 20°C, unter Verwendung einer Vorrichtung, die mit einer Komprimierungsfähigkeit und einer Kühlungsfähigkeit ausgestattet ist, z. B. wie in 3 gezeigt. Das Massiv-Machen, das den massiven Körper hervorbringt, supra, und der Kompressionsschritt können unter Verwendung der gleichen Vorrichtung ausgeführt werden. Während einer starken plastischen Deformation wird ein Gleiten an den Gleitebenen der Stammphase hergestellt und eine Rotation des Materials wird in dem Kompressionsdeformationsprozess hergestellt. An diesem Punkt tritt eine gute Neuordnung nicht auf, wenn ein rasches Kühlen ausgeführt wird, und das Dispergens verbleibt in einem willkürlichen Zustand; allerdings wird angenommen, dass eine Ordnung auftritt, wenn graduelle Kühlungsbedingungen verwendet werden, weil die Sequenz von Rotation zu Neuordnung vollständig ist. Es wird angenommen, dass dieses Phänomen durch das graduelle Kühlen von einer hohen Temperatur höher als oder gleich zu dem Erweichungspunkt in einem komprimierten Zustand auftritt, der eine starke plastische Deformation hervorbringt. Die Dickekompressionsrate [(Dicke vor der Kompression des Materials – Dicke nach der Kompression des Materials) × 100/Dicke vor der Kompression des Materials] (%) des Materials durch dieses Kühlen unter Kompression ist geeigneter Weise in dem Bereich von 25 bis 90% und insbesondere 40 bis 80%. Der Druck während dieses Kühlens unter Kompression ist geeigneterweise in dem Bereich von 5 bis 500 MPa und insbesondere in dem Bereich von 50 bis 200 MPa. Wie oben angemerkt, kann ein n-Typ-Nanokomposit-thermoelektrisches-Energieumwandlungsmaterial oder ein p-Typ-Nanokomposit-thermoelektrisches-Energieumwandlungsmaterial erhalten werden.
Spezifische Beschreibungen wurden in dieser Spezifikation basierend auf Kombinationen von spezifischen thermoelektrischen Materialien und Dispergensien bereitgestellt, aber die Erfindung ist nicht beschränkt auf die thermoelektrisches Material/Dispergens Kombinationen mit den spezifischen chemischen Zusammensetzungen, die in dem Vorhergehenden verwendet wurden, und jede Kombination von einer thermoelektrisches-Material-Stammphase und Dispergensnanopartikeln kann verwendet werden, solange die charakteristischen Merkmale der Erfindung erfüllt sind. Zusätzlich kann ein thermoelektrisches Energieumwandlungselement durch Kombinieren eines Elektrodenpaars mit einem Nanokomposit-thermoelektrischen Energieumwandlungsmaterial erhalten werden, das gemäß der Erfindung erhalten ist.
Beispiele dieser Erfindung sind unten gegeben. Die Messungen der Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterialien, die in jedem der nachfolgenden Beispiele erhalten sind, werden unter Verwendung der unten gegebenen Verfahren ausgeführt. Die unten angegebenen Messmethoden sind durch Illustration bereitgestellt und die gleichen Messungen können unter Verwendung äquivalenter Messverfahren ausgeführt werden.

1. Hochauflösendes Transmissionselektronenmikroskop (TEM), Untersuchungsinstrument: TECNAI (FEI Company)
2. Das hochauflösende TEM Bild wird gemessen und die Bestimmung wird für die Ansicht B in 2 für willkürlich ausgewählte Kristallkörner in dem erhaltenen Bild gemacht.
3. Das thermische Diffusionsvermögen β in dem hergestellten Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterial wird durch ein Flashverfahren gemessen, während die spezifische Wärme Cp unter Verwendung eines Differenzialrasterkalorimeters (DSC) gemessen wird. Die Dichte ρ wird durch das archimedische Verfahren gemessen. Unter Verwendung des gemessenen thermischen Diffusionsvermögens β, der spezifischen Wärme Cp und der Dichte ρ wird die thermische Leitfähigkeit des hergestellten Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterials von der folgenden Formel bestimmt: thermische Leitfähigkeit κ = β × Cp × ρ.
4. Die Messung wird unter Verwendung eines ZEM von ULVAC-RIKO Inc. durch das rechnerische Verfahren basierend auf der Thermospannung und des Temperaturunterschieds, der durch Erwärmen eines Endes der Messprobe und Kühlen des anderen Endes hergestellt ist, ausgeführt.
5. Die Messung wird durch das 4-Punkt-Probenverfahren unter Verwendung eines Widerstandsmessgeräts durchgeführt.
6. Dies wird durch Nehmen des Kehrwerts des spezifischen Widerstands bestimmt.
7. Der Leistungsfaktor wird von der folgenden Gleichung berechnet: Leistungsfaktor Pf = α²σ.
8. ZT kann von der folgenden Gleichung berechnet werden. ZT = α²σT/κ(PfT/κ)
9. Bestimmung des Erweichungspunkts: der Literaturwert oder die Temperatur, die durch vorheriges Testen beobachtet wird (die Temperatur, bei welcher die Deformierung beginnt, wenn die Temperatur während des Anwendens von Druck genommen wird) wird verwendet.

Flüssigphasensynthese wurde bei dem folgenden Prozedere in Beispiel 1 ausgeführt.
Herstellung der Startaufschlämmung:
Die folgenden Startmaterialien wurden gemischt und in 100 mL Ethanol aufgeschlämmt.

Bismutchlorid (BiCl₃) 2,0 g

Antimonchlorid (SbCl₃) 7,34 g

Tellurchlorid (TeCl₄) 12,82 g
Reduktionsbehandlung:
Eine Lösung wurde durch Lösen von 10 g NaBH₄ als ein Reduktionsmittel in 1000 mL Ethanol hergestellt und diese Lösung wurde tropfenweise zu der Startaufschlämmung gegeben.
Die Ethanolaufschlämmung, welche feine getrennte Legierungsteilchen von Bi, Sb, Te ausgefällt durch die Reduktion enthält, wurde gefiltert und mit einer Lösung von 500 mL Wasser + 300 mL Ethanol gewaschen und wurde zusätzlich gefiltert und mit 300 mL Ethanol gewaschen.
Legierungsschritt:
Das wiedergewonnene Pulver wurde durch Ausführen einer hydrothermalen Behandlung für 48 Stunden bei 240°C legiert, um (Bi, Sb)₂Te₃/Sb₂O₃ Nanopartikel bereitzustellen, in welchen das Sb₂O₃ in der Bi, Sb, Te Stammphase dispergiert war.
Trocknung:
Das Pulver wurde anschließend durch Trocknen in einer N₂-Gasstromatmosphäre wiedergewonnen. Ungefähr 2,1 g eines Legierungspulvers wurde an diesem Punkt wiedergewonnen.
Herstellung eines massiven Körpers:
Das wiedergewonnene Pulver wurde einem SPS-Sintern für 15 Minuten bei 350°C unterworfen, um einen massiven Körper eines Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterials herzustellen, in welchem 12 Volumen-% Sb₂O₃ mit einem Teilchendurchmesser von 10 nm (Durchschnitt) als das Dispergens in einem Stammmaterial mit einem Erweichungspunkt von ungefähr 300°C und mit einem (Bi, Sb)₂Te₃ thermoelektrischen Material dispergiert war.
Kompressionsprozessierung:

Erwärmen und Komprimieren wurden danach unter den folgenden Bedingungen durch SPS ausgeführt; dies wurde gefolgt durch Kühlen. Komprimierungsbedingung:

Veränderung in der Dicke (Dickekompressionsrate des Materials)	50%
Initialdruck (Druck bei dem Start der Druckanwendung)	40 MPa
Erwärmungstemperatur (*)	350°C
Rate des Temperaturanstiegs	10°C/min
Kühlungsrate	5°C/min
Haltezeit	15 min

(*) Die Erwärmungstemperatur ist die SPS Displaytemperatur und, basierend auf der Beziehung für das Temperaturmessverfahren, wird angenommen, dass die Materialtemperatur während des Erwärmens 350 ± 50 bis 100°C ist.

Das erhaltene Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterial wurde evaluiert. Zusammen mit den Ergebnissen der Vergleichsbeispiele zeigt 6 den Seebeck-Koeffizienten; 7 zeigt den spezifischen Widerstand; 8 zeigt den Leistungsfaktor; 9 zeigt ZT; 13, 14 und 16 zeigen Reproduktionen (Ansicht A) von stark vergrößerten TEM Bildern, die durch hochauflösendes TEM aufgenommen sind; 15 zeigt eine Reproduktion (Ansicht A) eines TEM Bildes einer mittleren Vergrößerung; und 17 zeigt eine Reproduktion (Ansicht B) (Querschnittsrichtung) eines stark vergrößerten TEM Bildes. Gemäß 13 und 14, welche stark vergrößerte TEM Bilder geben, sind die (Bi, Sb)₂Te₃-Stammphase und Sb₂O₃ mit einer Breite von 5 bis 10 nm, d. h. nicht mehr als 10 nm, ungefähr parallel ausgerichtet. Gemäß 15, welche ein TEM Bild mit mittlerer Vergrößerung zeigt, und 16, welche ein stark vergrößertes TEM Bild zeigt, sind die (Bi, Sb)₂Te₃-Stammphase und Sb₂O₃ mit einer Breite von 5 bis 10 nm, d. h. nicht mehr als 10 nm, ungefähr parallel ausgerichtet; Sb₂O₃ Teilchendurchmesser von 3 bis 50 nm werden beobachtet; und Stammphasenteilchendurchmesser von ungefähr 10 nm werden beobachtet. Zusätzlich werden in 17, welche eine Ansicht von einer Querschnittsrichtung ist, amorphes Sb₂O₃ und das Gittermuster der (Bi, Sb)₂Te₃-Stammphase beobachtet.
Referenzbeispiel 1 (Stand der Technik)
Basierend auf der Technologie, die in Journal of Crystal Growth, 277 (2005) 258–263 beschrieben ist, wurde ein kristallines Material durch Synthese eines Rohlingmaterials unter Versiegelung in Quarz und Zonenschmelzen hergestellt. Das erhaltene thermoelektrische Material wurde evaluiert. Der Seebeck-Koeffizient ist in 10 gezeigt; die thermische Leitfähigkeit ist in 11 gezeigt; und ZT ist in 12 gezeigt.
Vergleichsbeispiel 1
Eine Evaluierung wurde auf den massiven Körper das Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterials ausgeführt, der durch das Herstellungsverfahren für einen massiven Körper wie in Beispiel 1 bereitgestellt ist, aber welcher nicht der Kompressionsprozessierung unterworden wurde. Zusammen mit den Ergebnissen für Beispiel 1 ist in 6 der Seebeck-Koeffizient gezeigt; der spezifische Widerstand ist in 7 gezeigt; der Leistungsfaktor ist in 8 gezeigt; und ZT ist in 9 gezeigt.
Vergleichsbeispiel 2
Die gleiche Prozedere wie in Beispiel 1 wurde ausgeführt, mit der Ausnahme, dass die Kühlungsrate von 5°C/min auf 20°C/min durch ohmsches Erwärmen (SPS) verändert wurde und das erhaltene Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterial wurde evaluiert. Zusammen mit anderen Ergebnissen ist der Seebeck-Koeffizient in 6 gezeigt; der spezifische Widerstand ist in 7 gezeigt; der Leistungsfaktor ist in 8 gezeigt; ZT ist in 9 gezeigt; und Reproduktionen von stark vergrößerten TEM Bildern sind in 18 und 19 gezeigt. In 18 ist der weiße Kontrast Sb₂O₃ (disperse Phase) und der schwarze Kontrast ist (Bi, Sb)₂Te₃ (Stammphase).
Durch Ausführen der Orientierung eines thermoelektrischen Materials, in welchem Nanoteilchen eines Dispergenses in einer thermoelektrisches-Material-Stammphase (Matrix) dispergiert sind, stellt die Erfindung einen Seebeck-Koeffizienten α bereit, der selbst bei niedrigen Temperaturen gegenüber dem von nicht-orientierten Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterial verbessert ist und stellt dadurch ein Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterial mit einem erhöhten Leistungsfaktor bereit. Die Erfindung stellt auch ein Verfahren zur Herstellung dieses Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterials bereit und stellt ein Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungselement bereit.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2004-335796 [0005]
JP 2004-335796 A [0005, 0005]
JP 2009-285380 [0006]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Journal of Crystal Growth, 277 (2005) 258–263 [0036]

Claims

Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterial, dadurch gekennzeichnet, dass Kristallkörner einer thermoelektrisches-Material-Stammphase in einer laminaren Konfiguration geschichtet sind und orientiert sind, eine Breite der Kristallkörner senkrecht zu einer Richtung der Orientierung in einem Bereich von zumindest 5 nm bis weniger als 20 nm ist, und isolierende Nanoteilchen vorhanden sind, die an den Korngrenzen dispergiert sind.
Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterial nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das thermoelektrische Material irgendeine Auswahl ist aus einem (Bi, Sb)₂(Te, Se)₃-System, einem Bi₂Te₃-System, einem (Bi, Sb)Te-System, einem Bi(Te, Se)-System, einem CoSb₃-System, einem PbTe-System und einem SiGe-System.
Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterial nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die isolierenden Nanoteilchen irgendeine Auswahl sind aus Aluminiumoxid, Zirkoniumdioxid, Titandioxid, Magnesiumoxid, Siliziumdioxid, Kompositoxiden, die die Vorhergehenden enthalten, Siliziumkarbid, Aluminiumnitrid und Siliziumnitrid.
Verfahren zur Herstellung eines Nanokomposit-thermoelektrischen Energieumwandlungsmaterials, dadurch gekennzeichnet, dass ein Material, das isolierende Nanoteilchen dispergiert in einer thermoelektrisches-Material-Stammphase aufweist und das auf eine Temperatur erwärmt ist, die höher als oder gleich zu einem Erweichungspunkt des thermoelektrischen Materials ist, einer Orientierung der Kristallkörner der thermoelektrisches-Material-Stammphase durch Kühlen unter Kompression bei einer Kühlungsrate von zumindest 1°C/Minute bis weniger als 20°C/Minute unterworfen wird.
Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn eine Dickekompressionsrate des Materials durch das Kühlen unter Kompression definiert ist als [(Dicke vor der Kompression des Materials – Dicke nach der Kompression des Materials) × 100/Dicke vor der Kompression des Materials] (%), die Rate in einem Bereich von 25 bis 90% ist.
Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck während des Kühlens unter Kompression in einem Bereich von 5 bis 500 MPa ist.
Nanokomposit-thermoelektrisches Energieumwandlungsmaterial, das durch das Verfahren erhalten ist, das nach einem der Ansprüche 4 bis 6 beschrieben ist.
Thermoelektrisches Energieumwandlungselement, das das Nanokomposit-thermoelektrische Energieumwandlungsmaterial nach Anspruch 1 oder 7 enthält.