JP2003031860A - 熱電材料および熱電変換モジュール - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】熱電効率を向上させた熱電材料を提供するこ
と。 【解決手段】Ａｕ３２を添加したＧｅ３１と、Ａｕ３４
を添加したＳｉ３３とを互いに接触させ、該Ｇｅ３１及
びＳｉ３３に一次元化したＡｕ３５，３６を夫々接触さ
せたことを特徴とする熱電材料。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、熱電変換効率を向
上させた熱電材料および熱電変換モジュールに関する。

【０００２】

【従来の技術】２０世紀になって人類のエネルギー消費
量は歴史的に例を見ない程加速され、化石燃料が主なエ
ネルギー源となってからは常にその枯渇が懸念されてき
たが、石油危機によってそれが現実の危機として認識さ
れるようになった。その後、原子力発電やその他の発電
の比率を上げたり、エネルギー節約が行われて今日に至
っているが、化石燃料枯渇への懸念はさらに高まってい
る。また、新たにＣＯ_２の大量消費による地球温暖化の
問題が浮上し、熱エネルギーから電気エネルギーへの高
効率変換システムの出現が待望されている。

【０００３】このような状況に対処するため、半導体を
用いて熱エネルギーを直接電気エネルギーに変換する熱
電素子システムの開発が行われている。図６は、この熱
電素子システム１の一例を説明するための図である。低
温部材７と高温部材６の間に、ｎ型半導体２と、ｐ型半
導体４を所定間隔を存して配置され、ｎ型半導体２とｐ
型半導体４の間であって、低温部材７を２分割した部分
に絶縁体８が配置され、ｐ型半導体４の低濃度領域の低
温部材７とｎ型半導体２の配置されている低温部材７間
には負荷９を接続するように構成したものである。

【０００４】このような構成のものにおいて、低温部材
７と高温部材６に熱エネルギーを与えると、ｎ型半導体
２では該熱エネルギーにより電気のキャリアとして電子
３が生成蓄積され、ｐ型半導体４では、キャリアとして
正孔５が生成蓄積される。このキャリアは高温部材６と
接した高濃度領域から低温部材７と接した低濃度領域へ
移動する。この結果、負荷９に電流１０が流れ、熱エネ
ルギーを電気エネルギーとして利用できる。

【０００５】一方、従来の熱電材料としては、ＳｉＧ
ｅ、ＢｉＴｅ等の半金属やＣｏＳｂ_３ 等のスクッテルダ
イト型結晶構造を有する材料の大きな空隙にＬａ、Ｃｅ
やＮｄ等を添加した材料等が挙げられるが、後述する熱
電変換性能を表す性能指数Ｚはおおよそ１の値をとる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、熱電材料の
適用先としては、低い熱電変換効率でも実用的な冷蔵庫
等や廃熱利用システムから、高変換効率が求められる火
力発電や原子力発電システム等が挙げられる。後者の発
電システムでは、燃焼や核分裂によって発生した熱エネ
ルギーを蒸気タービン等で電気エネルギーに変換してい
るが、電気エネルギーに変換するまでのプロセスが複雑
であるため、その分、プラントのコストダウンや安全性
向上に手間がかかるものとなっている。このようなシス
テムへ熱電材料を適用すれば、システムのコストダウン
や安全性向上に貢献できるものと考えられる。しかしな
がら、これまでの熱電材料では、熱電変換効率は必ずし
も十分ではない。そこで、熱電変換効率のさらなる向上
が求められている。

【０００７】本発明はこのような問題点を解決するため
になされたもので、熱電効率を向上させた熱電材料およ
び熱電変換モジュールを提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、請求項１に対応する発明は、熱エネルギーを電気エ
ネルギーに、電気エネルギーを熱エネルギーに変換する
材料であって、電荷のキャリアのエネルギーの異なる少
なくとも第１及び第２の材料同士を接触させたことを特
徴する熱電材料である。

【０００９】前記目的を達成するため、請求項２に対応
する発明は、前記第１及び第２の材料のうちの一方を、
前記第１及び第２の材料のうちの他方に比較して電気伝
導度を高く形成したことを特徴とする請求項１に記載の
熱電材料である。

【００１０】前記目的を達成するため、請求項３に対応
する発明は、前記第１及び第２の材料のうち、少なくと
も一方をアモルファス化したことを特徴とする請求項
１，２のいずれかに記載の熱電材料である。

【００１１】前記目的を達成するため、請求項４に対応
する発明は、前記第１及び第２の材料のうち、少なくと
も一方を低次元化したことを特徴とする請求項１〜３の
いずれかに記載の熱電材料である。

【００１２】前記目的を達成するため、請求項５に対応
する発明は、次のようにしたものである。すなわち、前
記第１及び第２の材料のうちの電荷のキャリアのエネル
ギーを高くした材料は、島状の部分を形成したことを特
徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の熱電材料であ
る。

【００１３】前記目的を達成するため、請求項６に対応
する発明は、次のようにしたものである。すなわち、前
記第１及び第２の材料のうちの他方に比較して電気伝導
度を高く形成した材料は、擬低次元系に形成したことを
特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の熱電材料で
ある。

【００１４】前記目的を達成するため、請求項７に対応
する発明は、次のようにしたものである。すなわち、前
記第１及び第２の材料のうち、一方の電荷のキャリアの
エネルギーを高くした材料は、島状の部分で例示される
部分と、一部において電荷のキャリアのエネルギーを低
くし電気伝導度を高くした擬低次元化したことを特徴と
する請求項１〜６のいずれかに記載の熱電材料である。

【００１５】前記目的を達成するため、請求項８に対応
する発明は、次のようにしたものである。すなわち、前
記電気伝導度を高くした材料は、高導電性物質を擬低次
元系に形成したことを特徴とした請求項１〜７のいずれ
かに記載の熱電材料である。

【００１６】前記目的を達成するため、請求項９に対応
する発明は、次のようにしたものである。すなわち、前
記第１及び第２の材料は、いずれも半導体、化合物半導
体、金属及びこれらの組合せの中から選択された１つ
と、これらに添加されたドーピング元素とで形成された
ことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の熱電
材料である。

【００１７】前記目的を達成するため、請求項１０に対
応する発明は、Ａｕを添加したＧｅと、Ａｕを添加した
Ｓｉとを互いに接触させ、該Ｇｅ及びＳｉに三次元のも
の、又は擬二次元化、或は擬一次元化したＡｕを夫々接
触させたことを特徴とする熱電材料である。

【００１８】前記目的を達成するため、請求項１１に対
応する発明は、Ａｕを添加したＧｅに、三次元のもの、
又は擬二次元化、或は擬一次元化したＡｕを接触させた
ことを特徴とする熱電材料である。

【００１９】前記目的を達成するため、請求項１２に対
応する発明は、Ａｕを添加したＳｉに、三次元のもの、
又は擬二次元化、或は擬一次元化したＡｕを接触させた
ことを特徴とする熱電材料である。

【００２０】前記目的を達成するため、請求項１３に対
応する発明は、次のようにしたものである。すなわち、
前記モルファス化した材料は、Ａｕを添加したＳｉ、ま
たは、Ａｕを添加したＧｅ、或は、Ａｕを添加したＳｉ
−Ｇｅ固溶体であることを特徴とする請求項３に記載の
熱電材料である。

【００２１】前記目的を達成するため、請求項１４に対
応する発明は、高温側の第１の平面と低温側の第２の平
面を構成するように電極部材により直列に接続されかつ
相互に対向して配置される請求項１〜１３のいずれかに
記載の熱電材料から焼結されたｐ型熱電素子本体及び請
求項１〜１３のいずれかに記載の熱電材料から焼結され
たｎ型熱電素子本体を備え、前記第１の平面および第２
の平面のいずれか一方またはその両者の平面内に接合さ
れたセラミックスからなる絶縁性導熱板を備え、前記電
極材料は銀系電極材料により構成されることを特徴とす
る熱電変換モジュールである。

【００２２】請求項１〜１４のいずれかに記載の発明に
よれば、電荷のキャリアのエネルギーが高くなると、電
気伝導度の向上も加わり、ゼーベック係数が大きくなる
ことから、熱電変換効率を上げることができる。このよ
うに熱電変換効率を上げることができれば、廃熱利用や
温度差の大きい加圧水型原子炉等の熱電変換システムへ
の利用が可能になり、更には、沸騰水型原子炉等の熱電
変換システムへと利用範囲を広げることができる。ター
ビン等を用いた熱電変換システムが熱電素子で代替でき
れば、プラントの安全性は飛躍的に向上する。

【００２３】

【発明の実施形態】以下、本発明の実施形態について説
明するが、その前に本発明（第１の発明、第２の発明）
の原理について説明する。

【００２４】熱電材料の熱電変換効率を示す性能指数Ｚ
は、（１）式によって表される。

【００２５】 Ｚ＝Ｓ^２σ／κ （１）式 ここで、Ｓはゼーベツク係数、σは電気伝導度、κは熱
伝導率である。

【００２６】（１）式から熱電物質で熱電変換効率を上
げるには、ゼーベツク係数Ｓや電気伝導度σを大きく
し、熱伝導率κを小さくしなければならないことが分
る。

【００２７】次に、本発明（第１の発明）の原理を図１
や図２を用いて説明する。図１に示す本発明の熱電材料
０１は、複数の島状領域（かたまり領域）１２を導電性
領域１３の中に形成する。各島状領域１２は、好ましく
はバンドギャップの大きい半導体で形成され、導電性領
域１３は、好ましくはバンドギャップの小さい半導体で
形成される。導電性領域１３及び島状領域（かたまり領
域）１２には、電荷のキャリア１４及び添加不純物又は
添加元素１１が存在している。

【００２８】図２はこのような構成をなす熱電材料０１
中の電子のエネルギー準位図を示している。縦軸は電子
エネルギーＥを示し、横軸は導電性領域１３及び島状領
域１２の位置を示している。島状領域１２は半導体の伝
導帯１６から構成され、また導電性領域１３は半導体の
伝導帯１７から構成されている。そして、島状領域１２
の伝導帯の底１８のエネルギーは、導電性領域１３の伝
導帯の底１９のエネルギーに比較して高くなるように構
成されている。

【００２９】このように構成されているので、島状領域
１２の電荷のキャリア２０が導電性領域１３に移行する
と、最初から導電性領域に導入された電荷のキャリア２
１のエネルギーに比較してエネルギーが高くなる。

【００３０】ところで、アモルファスのゼーベック係数
Ｓは、 ∫ｄＥ［（Ｅ−ＥＦ）σ（Ｅ）］／（ｋＴσ） に比例する。

【００３１】ここで、Ｅは電荷のキャリアのエネルギ
ー、ＥＦはフェルミエネルギー、σ（Ｅ）はエネルギー
Ｅでの電気伝導度、σは電気伝導度の平均値、ｋはボル
ツマン定数、Ｔは温度である。電荷のキャリアが格子の
熱振動であるフォノンから散乱される確率は、普通温度
が高くなると大きくなる。

【００３２】しかしながら、固体中のイオンや電子によ
るキャリアの散乱確率が真空中の電磁力学から求まる値
とそれほど異ならなければ、エネルギーの高い電荷のキ
ャリアほどイオンや電子から散乱されにくく、キャリア
濃度を散乱確率で割った量に比例する電気伝導度が上が
る。

【００３３】実際、このような現象は、固体へのイオン
注入において見られる。以上のように、電荷のキャリア
のエネルギーが高くなると、場合によっては電気伝導度
の向上も加わり、ゼーベック係数Ｓが大きくなる。以
上、ｎ型半導体の場合についてて説明したが、ｐ型半導
体の場合も同様である。

【００３４】図１及び図２の発明の具体例として、図５
（ｂ）に示すようにＡｕ３２を添加したＧｅ３１に、二
次元化したＡｕ３７を接触させたものが考えられる。ま
た、図１及び図２の発明の別の具体例として、図５
（ｃ）に示すようにＡｕ３４を添加したＳｉ３３に、二
次元化したＡｕ３７を接触させたものが考えられる。こ
の場合、Ｇｅ３１と、Ａｕ３７は図１及び図２の導電性
領域１３に対応し、さらにＳｉ３３は図１及び図２の島
状領域１２に対応している。

【００３５】次に、本発明（第２の発明）の原理を図３
や図４を用いて説明する。図３に示す本発明の熱電材料
０２は、複数の島状領域（かたまり領域）１２を導電性
領域１３の中に形成する。さらに、導電性領域１３の中
であって、各島状領域１２に夫々擬低次元系（擬１次元
系又は擬２次元系）（図では二次元の表示となってい
る）の高導電性領域２３を接触させたものである。高導
電性領域２３は、導電性領域１３よりも導電性の高いも
ので形成されている。

【００３６】図４はこのような構成の熱電材料０２の電
子のエネルギー準位図を示している。縦軸は電子エネル
ギーＥを示し、横軸は高導電性領域２３及び導電性領域
１３を示している。

【００３７】高導電性領域２３は、金属性物質の価電子
帯（伝導帯）２４からなり、また導電性領域１３は半導
体の伝導帯１７から構成されている。

【００３８】この場合、高導電性領域２３のフェルミエ
ネルギー２５は、図示しない島状領域１２の伝導帯底の
エネルギーや導電性領域１３の伝導帯の底１９のエネル
ギーに比較して低くなるように構成する。

【００３９】このように構成されているので、導電性領
域１３の電荷のキャリア２７が高導電性領域２３に移行
すると、最初に高導電領域２３に導入された電荷のキャ
リア２６のエネルギーに比較してエネルギーが高くな
る。この結果、ゼーベック係数Ｓが高い熱電材料の作製
が可能である。

【００４０】図３及び図４の発明の具体例として、図５
（ａ）に示すようにＡｕ３２を添加したＧｅ３１と、Ａ
ｕ３４を添加したＳｉ３３とを互いに接触させ、該Ｇｅ
３１及びＳｉ３４に一次元化したＡｕ３５，Ａｕ３６を
夫々接触させたものが考えられる。

【００４１】この場合、Ａｕ３５，Ａｕ３６は図３及び
図４の高導電領域２３に対応し、又Ｇｅ３１は図３及び
図４の導電性領域１３に対応し、さらにＳｉ３３は図３
及び図４の島状領域１２に対応している。

【００４２】次に、前述した原理に基づく具体的な熱電
材料について説明する。ここでは、熱電材料の一例であ
るＧｅ−ＳｉへＡｕを添加した場合を例にとって、第一
原理計算科学技術の分子軌道計算法を用いて求めた材料
の電子構造について説明する。計算科学技術は、電子の
構造等を実験に頼らず非経験的に解析し、現象を解明し
たり材料特性を予測して材料設計を行うものである。そ
の方法には、分子軌道法等がある。分子軌道法は、量子
力学の基礎方程式である次の（２）式で示すシュレーデ
ィンガー方程式 ∂ｔψ＝（−∇^２＋Ｖ）ψ （２）式 の静的状態を解析する。

【００４３】ここで、ψは電子の波動関数で、Ｖはポテ
ンシャルである。静的状態の方程式は、 Ｈψ＝εψ （３）式 Ｈ＝−∇^２＋Ｖ （４）式 となる。ここで、εは電子のエネルギーである。ψをψ
＝Ｃｉφｉとし、φｉを原子軌道関数（任意の試行関
数）として、変分原理を適用すると、 δ＜Ｈ＞＝０ （５）式 から、 ＜Ａ＞＝∫ｄｘψ＊Ａψ （６）式 として ＨＣ＝ε＜１＞Ｃ （７）式 となり、これを解くと電子のエネルギーが求まり、電子
構造が分かる。

【００４４】電子構造解析の結果、以下のことが明らか
となった。

【００４５】１）Ｇｅの価電子帯上端のエネルギーはＳ
ｉよりも高く、Ｇｅの伝導帯の底のエネルギーはＳｉよ
りも低い。

【００４６】２）Ａｕの電子により占有された軌道の最
高エネルギーは、ＳｉやＧｅのバンドギャップ中に存在
する。

【００４７】３）ＳｉやＧｅにＡｕを添加すると、価電
子帯上端の上や伝導帯の底の下にエネルギー準位ができ
る。

【００４８】４）原子間距離を縮めると、価電子帯上端
のエネルギーは下がり、伝導帯の底のエネルギーは上が
る。原子間距離を伸ばすと、価電子帯上端のエネルギー
は上がり、伝導帯の底のエネルギーは下がる。

【００４９】５）アモルファス半導体は、価電子帯上端
や伝導帯の底付近に不規則なエネルギー準位を形成す
る。Ｇｅ−Ｓｉには遷移金属は添加しにくく、遷移金属
は転位に析出しやすい。不均一な物質においては、母材
中に島状部分が形成され、そこにエネルギーの高いキャ
リアが蓄積されることがある。

【００５０】６）島状部分はＧｅ、Ａｕ、Ｓｉ等から成
る析出物でできた導電性回路（導電性ネットワーク）で
結ばれ、この析出物は電気伝導度が高いことがある。

【００５１】７）析出物は擬低次元系であることもあ
る。

【００５２】以上のことから、電荷のキャリアがＳｉや
Ｇｅの領域に導入されると、ＧｅやＡｕの領域にキャリ
アが供給されることになる。この場合、ＳｉやＧｅの領
域に導入され、ＧｅやＡｕの領域に輸送されたキャリア
は、もともとＧｅやＡｕの領域に導入されたキャリアに
比較して高いエネルギーを有することになる。

【００５３】このようにして、Ａｕを多量に添加したＧ
ｅやＳｉの系は、キャリアのエネルギーの向上と、場合
によっては電気伝導度の向上も加わり、ゼーベック係数
Ｓが高くなる。

【００５４】前述の構成から明らかなように、半導体材
料や添加材料は、Ｇｅ、Ｓｉ、Ａｕに限定されるもので
はない。実用的な半導体だけでも、禁止帯幅がそれぞ
れ、５．３、１．１２、０．８０、０．００８、１．４
３、２．２４、３．３９、１．３５、０．１７ｅＶであ
る、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、Ｇａ
Ｎ、ＩｎＰ、ＩｎＳｂ等がある。

【００５５】このため、電荷のキャリアのエネルギーを
高くした部分は、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、ＧａＡｓ、Ｇ
ａＰ、ＩｎＰ、ＩｎＳｂ、ＧａＮで例示される半導体の
少なくとも一種からなり、電荷のキャリアのエネルギー
を低くした部分は、Ｃ、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｎ、ＧａＡｓ、
ＧａＰ、ＩｎＰ、ＩｎＳｂ、ＧａＮで例示される半導
体、または、Ａｕ、Ｚｎ、Ｓｎで例示される金属または
高導電性物質で構成することもできる。また、各半導体
は、必要に応じてＡｕ、Ｂ、Ｐ、Ｚｎ、Ｓｉ、Ｃｄ、Ｔ
ｅで例示されるアクセプター元素またはドナー元素を添
加することもできる。

【００５６】次に、本発明の具体的な実施例について説
明する。

【００５７】＜実施例１＞純度９９．９９９％のＳｉ、
純度９９．９９９％のＧｅ、純度９９．９９％のＡｕ金
属を原料とした。これを、重量比でＳｉ：Ｇｅ：Ａｕ＝
４０：４０：２０になるように秤量した。アーク炉内の
水冷されている銅製のハ−スに上記秤量原料を装填し
て、２×１０^−３Ｐａの真空度まで真空引きした後、純
度９９．９９９％の高純度Ａｒを６０ｋＰａまで導入し
て減圧Ａｒ雰囲気にして、ア−ク溶解した。溶解後、水
冷されている銅製のハ−スで急冷され、金属塊が得られ
た。この金属塊は非晶質化しておらず、粉末Ｘ線回折法
にて構成相を調べた結果、Ｓｉ−Ｇｅ系固溶体相、並び
に、Ａｕ相からなっていた。この金属塊を、以下のよう
にして単ロール式超急冷装置を用いて、非晶質Ｓｉ−Ｇ
ｅ−Ａｕ系合金を作製した。まず、先端に直径０．５ｍ
ｍの穴が空いている石英製ノズルに入れた。単ロール式
超急冷装置には、直径３００ｍｍ、幅１００ｍｍの銅製
のロールの上部に、前記ノズルが、開口部を下にし、ノ
ズル開口部とロールとの間隙を任意長さに調節できる。
本実施例では、間隙を０．５ｍｍとした。ノズルをロー
ル上部に固定した後、装置内部を１０^−４Ｐａ以下まで
真空引きし、その後純度９９．９９９％の高純度Ａｒを
４０ｋＰａまで導入して減圧Ａｒ雰囲気にした。試料を
高周波で１４００℃まで加熱、溶融後、ロールを終端速
度４０ｍ／ｓｅｃになるように回転させ、ノズル上部か
ら、差圧７０ｋＰａで溶融金属をロール上に射出し、急
冷させた。得られた試料は、薄帯状の形状を有してお
り、幅約２ｍｍ、厚さ１０〜５０μｍ、長さ約１０〜１
００ｍｍほどであった。粉末Ｘ線回折法で構成相を調べ
た結果、回折線は認められず、非晶質化していることを
確認した。

【００５８】本実施例で得られた非晶質試料のゼーベッ
ク係数は、室温で０．１ｍＶ／Ｋ、１０００Ｋで５０ｍ
Ｖ／Ｋであった。抵抗率は、室温で５Ωｃｍ、１０００
Ｋで２０Ωｃｍであった。光交流法で熱伝導率を測定し
た結果、室温で１１Ｗ／ｍＫ、１０００Ｋで６Ｗ／ｍＫ
であった。

【００５９】＜実施例２＞Ａｒガスを封入したチャンバ
ー内に設置され、凹状鋳型面を有する鋳型Ａに、Ｇｅ、
Ｓｉ、Ａｕから成る材料、例えば、粉末、ペレット、結
晶体を充填し、プラズマアークを発生させ、材料を完全
に溶解して溶融材を形成した。

【００６０】温度は、Ｇｅ、Ｓｉ、Ａｕの融点９５９
℃、１４１４℃、１０６４℃を越える１４２０℃から１
５００℃に設定した。Ｇｅ、Ｓｉ、Ａｕの組成は、５１
％、４０％、９％とした。この後、プラズマアークを消
し、大気圧以上に加圧した鋳型Ａと負圧を生じさせた鋳
型Ｂの圧力差と、ＤＣサーボモータを利用して、溶融材
を急速に引抜き、鋳型Ｂに瞬時鋳込んで急速固化させる
ことにより、アモルファス材を製造した。アモルファス
材の形状は、板状や棒状のものを製作した。アモルファ
ス材のＸ線回折分析、光学顕微鏡検査（ＯＭ）、エネル
ギー分散Ｘ線分光分析（ＥＤＸ）、走査型電子顕微鏡検
査に等により、アモルファス相の形成を確認するととも
に、島状のＳｉ相、及びＡｕの析出を確認した。また、
アモルファスＧｅＳｉのゼーベック係数を測定したとこ
ろ、結晶ＧｅＳｉに比較して２０％増大した。

【００６１】＜実施例３＞Ａｒガスを封入したチャンバ
ー内に設置され、凹状鋳型面を有する鋳型Ａに、Ｇｅ、
Ｓｉ、Ａｕから成る材料、例えば、粉末、ペレット、結
晶体を充填し、プラズマアークを発生させ、材料を完全
に溶解して溶融材を形成した。温度は、Ｇｅ、Ｓｉ、Ａ
ｕの融点９５９℃、１４１４℃、１０６４℃を越える１
４２０℃から１５００℃に設定した。Ｇｅ、Ｓｉ、Ａｕ
の組成は、４１％、５０％、９％とした。この後、プラ
ズマアークを消し、大気圧以上に加圧した鋳型Ａと負圧
を生じさせた鋳型Ｂの圧力差と、ＤＣサーボモータを利
用して、溶融材を高速で引抜き、鋳型Ｂに瞬時鋳込んで
急速固化させることにより、アモルファス材を製造し
た。アモルファス材の形状は、板状や棒状のものを製作
した。アモルファス材のＸ線回折分析、光学顕微鏡検査
（ＯＭ）、エネルギー分散Ｘ線分光分析（ＥＤＸ）、走
査型電子顕微鏡検査に等により、アモルファス相の形成
を確認するとともに、島状のＳｉ相、及びＡｕの析出を
確認した。また、アモルファスＧｅＳｉのゼーベック係
数を測定したところ、結晶ＧｅＳｉに比較して１０％増
大した。

【００６２】＜実施例４＞ｐ型不純物として硼素を、ｎ
型不純物としてリンを添加し、実施例１と同様に薄帯を
形成したで得られた熱電材料を粉砕し、各々、これを内
径２０ｍｍの金型を用い圧力１００ＭＰａで成形した。
この成形体を内径２０ｍｍのカーボン製モールドに充填
し、Ａｒ雰囲気中、１００ＭＰａ、６８０℃で１時間加
圧焼結し、直径２０ｍｍ円盤状の焼結体を得た。この焼
結体を一辺が２ｍｍの立方体に切断した。

【００６３】一辺が２ｍｍの立方体のＳｉ−Ｇｅ熱電素
子を開口部が２ｍｍ＋０．２ｍｍ角、高さ１．５ｍｍの
コーディエライト製のメッシュ中にｐ型、ｎ型を交互に
置き、縦４組横８列計３２組正方形に配列した。該Ｓｉ
−Ｇｅ素子は該メッシュから現れる上下面にＡｇが１μ
ｍ程度蒸着されている。平行して、３２５メッシュのＡ
ｇにＰＶＡ（ポリビニルアルコール）を３％溶かしたエ
チルアルコールをバインダーとしたＡｇペーストを所定
の形状をした１ｍｍ厚さのコーディエライト製枠に充填
・乾燥したＡｇ電極板を形成した。次に、該Ｓｉ−Ｇｅ
配列体の上下に該Ａｇ電極板を配し、更に２４ｍｍ角、
１ｍｍ厚さのＡｌＮ板を該Ａｇ電極板の外側に配し積層
体とした。該積層体に３ｋｇの重しを載せて、電気炉に
置き、大気中で８００℃１時間の熱処理を行なった。冷
却後、該積層体を炉より取り出したところ、すべての層
が十分な強度を有する結合をなしており、熱電変換モジ
ュールが形成されていた。

【００６４】該熱電変換モジュールについて高温側を６
００℃、低温側を２５℃の条件で熱電特性を測定したと
ころ、発生した電力は６．５Ｗであった。この条件で１
０００時間連続運転した後、室温に戻し、再び同条件で
運転を行なった。この繰り返しを１０回合計運転時間１
００００時間後も性能は変わらず、また破損したり形状
が変化することもなかった。

【００６５】また、同時に作製した他のモジュールを分
解して電極を調べたところＡｇ粉末は密度が理論密度の
９８％の焼結体になっていた。

【００６６】

【発明の効果】以上述べた本発明によれば、キャリアの
エネルギー高い島状領域と高電気伝導度を有するネット
ワークを形成した材料を製作することにより、ゼーベッ
ク係数を高めることになる。このため、熱電変換効率を
上げることが可能となる。熱電変換効率を上げれば、廃
熱利用や温度差の大きい加圧水型原子炉等の熱電変換シ
ステムへの利用が可能になり、更には、沸騰水型原子炉
等の熱電変換システムへと利用範囲を広げることができ
る。タービン等を用いた熱電変換システムが熱電素子で
代替できれば、プラントの安全性は飛躍的に向上する等
の大きな利点があり、その工業的価値は大なるものがあ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の発明の原理を説明するためのものであっ
て、導電性領域に島状領域を形成した熱電材料の概念
図。

【図２】図１の熱電材料のエネルギー準位図。

【図３】第２の発明の原理を説明するためのものであっ
て、島状領域を導電性領域中に形成し、更に、導電性の
高い導電性領域を形成した熱電材料の概念図。

【図４】図３の熱電材料のエネルギー準位図。

【図５】第１及び第２の発明に基づく具体的な構成を示
す熱電材料の概念図。

【図６】従来の熱電素子システムを説明するための断面
図。

【符号の説明】

０１，０２…熱電材料、１…熱電素子システム、２…ｎ
型半導体、３…電子、４…ｐ型半導体、５…正孔、６…
高温部、７…低温部、８…絶縁体、９…負荷、１０…電
流、１１…添加不純物又は添加元素、１２…島状領域、
１３…導電性領域、１４…電荷のキャリア、１６…島状
領域の伝導帯、１７…導電性領域の伝導帯、１８…島状
領域の伝導帯底、１９…導電性領域の伝導帯底、２０…
島状領域の電荷のキャリア、２１…最初に導電性領域に
導入された電荷のキャリア、２３…高導電性領域、２４
…高導電性領域の価電子帯（伝導帯）、２５…高導電性
領域のフェルミエネルギー、２６…最初に高導電性領域
に導入された電荷のキャリア、２７…導電性領域の電荷
のキャリア。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 首藤 直樹 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 熱エネルギーを電気エネルギーに、電気
   エネルギーを熱エネルギーに変換する材料であって、電
   荷のキャリアのエネルギーの異なる少なくとも第１及び
   第２の材料同士を接触させたことを特徴する熱電材料。
2. 【請求項２】 前記第１及び第２の材料のうちの一方
   を、前記第１及び第２の材料のうちの他方に比較して電
   気伝導度を高く形成したことを特徴とする請求項１に記
   載の熱電材料。
3. 【請求項３】 前記第１及び第２の材料のうち、少なく
   とも一方をアモルファス化したことを特徴とする請求項
   １，２のいずれかに記載の熱電材料。
4. 【請求項４】 前記第１及び第２の材料のうち、少なく
   とも一方を低次元化したことを特徴とする請求項１〜３
   のいずれかに記載の熱電材料。
5. 【請求項５】 前記第１及び第２の材料のうちの電荷の
   キャリアのエネルギーを高くした材料は、島状の部分を
   形成したことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記
   載の熱電材料。
6. 【請求項６】 前記第１及び第２の材料のうちの他方に
   比較して電気伝導度を高く形成した材料は、擬低次元系
   に形成したことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに
   記載の熱電材料。
7. 【請求項７】 前記第１及び第２の材料のうち、一方の
   電荷のキャリアのエネルギーを高くした材料は、島状の
   部分で例示される部分と、一部において電荷のキャリア
   のエネルギーを低くし電気伝導度を高くした擬低次元化
   したことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の
   熱電材料。
8. 【請求項８】 前記電気伝導度を高くした材料は、高導
   電性物質を擬低次元系に形成したことを特徴とした請求
   項１〜７のいずれかに記載の熱電材料。
9. 【請求項９】 前記第１及び第２の材料は、いずれも半
   導体、化合物半導体、金属及びこれらの組合せの中から
   選択された１つと、これらに添加されたドーピング元素
   とで形成されたことを特徴とする請求項１〜８のいずれ
   かに記載の熱電材料。
10. 【請求項１０】 Ａｕを添加したＧｅと、Ａｕを添加し
    たＳｉとを互いに接触させ、該Ｇｅ及びＳｉに三次元の
    もの、又は擬二次元化、或は擬一次元化したＡｕを夫々
    接触させたことを特徴とする熱電材料。
11. 【請求項１１】 Ａｕを添加したＧｅに、三次元のも
    の、又は擬二次元化、或は擬一次元化したＡｕを接触さ
    せたことを特徴とする熱電材料。
12. 【請求項１２】 Ａｕを添加したＳｉに、三次元のも
    の、又は擬二次元化、或は擬一次元化したＡｕを接触さ
    せたことを特徴とする熱電材料。
13. 【請求項１３】 前記モルファス化した材料は、Ａｕを
    添加したＳｉ、または、Ａｕを添加したＧｅ、或は、Ａ
    ｕを添加したＳｉ−Ｇｅ固溶体であることを特徴とする
    請求項３に記載の熱電材料。
14. 【請求項１４】 高温側の第１の平面と低温側の第２の
    平面を構成するように電極部材により直列に接続されか
    つ相互に対向して配置される請求項１〜１３のいずれか
    に記載の熱電材料から焼結されたｐ型熱電素子本体及び
    請求項１〜１３のいずれかに記載の熱電材料から焼結さ
    れたｎ型熱電素子本体を備え、前記第１の平面および第
    ２の平面のいずれか一方またはその両者の平面内に接合
    されたセラミックスからなる絶縁性導熱板を備え、前記
    電極材料は銀系電極材料により構成されることを特徴と
    する熱電変換モジュール。