JP2007165463A - Thermoelectric converting element and power generating module - Google Patents

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JP2007165463A JP2005357848A JP2005357848A JP2007165463A JP 2007165463 A JP2007165463 A JP 2007165463A JP 2005357848 A JP2005357848 A JP 2005357848A JP 2005357848 A JP2005357848 A JP 2005357848A JP 2007165463 A JP2007165463 A JP 2007165463A
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治 山下
Hirotaka Odawara
大貴 小田原
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a thermo-electric converting element for power generation having improved performance index, and also to provide a thermoelectric module for generation of electrical power. <P>SOLUTION: A ratio (x=I<SB>B</SB>/I) of the length l<SB>B</SB>for the total length l of a thermoelectric element is set to 0.83 or less by assembling a thermoelectric material after plating the front surface thereof in contact with a heat source. In the case where the ratio is further set to 0.20 or less, the high performance thermoelectric converting element remarkably increases in the performance index of the thermo-electric converting element and exceeds 7 in its performance index when (x) is equal to 0.15. The maximum energy converting efficiency under the temperature difference of Tc=300 K and Th=350 K becomes equal to about 13% using the value of ZT=7. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

この発明は、発電用の熱電変換素子及び発電用の熱電モジュールに使用するBi-Te系熱電材料に関し、著しく性能指数を向上させた熱電変換素子並びに発電用モジュールに関する。   The present invention relates to a thermoelectric conversion element for power generation and a Bi-Te-based thermoelectric material used for a thermoelectric module for power generation, and relates to a thermoelectric conversion element and a power generation module with significantly improved performance index.

熱電変換素子は電子冷却機、光通信機器や計測機器、培養器の温度制御等に既に使用されており、今後さらに高性能化されればフロンガスを使用しない冷蔵庫や車載用のエアコンの製品化も可能になる。また熱電変換素子は、最近の産業界において要求の高い排熱エネルギーの有効活用の観点から実用化が期待されているデバイスであり、例えば、排熱を利用し電気エネルギーに変換するシステムや、屋外で簡単に電気を得るための小型携帯用発電装置、ガス機器の炎センサー等にも使用が可能である。さらに高性能化すれば、自動車の排ガスの熱エネルギーの回収や車載用の燃料電池の燃料改質装置の温度制御用としての用途も生まれる。   Thermoelectric conversion elements are already used for temperature control of electronic coolers, optical communication equipment, measuring equipment, incubators, etc. If further improvements are made in the future, refrigerators that do not use CFCs and automotive air conditioners will be commercialized. It becomes possible. Thermoelectric conversion elements are devices that are expected to be put into practical use from the viewpoint of effective utilization of exhaust heat energy, which is highly demanded in recent industries. For example, systems that convert waste heat into electrical energy, It can also be used for small portable power generators for easily obtaining electricity, flame sensors for gas appliances, and the like. Higher performance will also create applications for recovering thermal energy from automobile exhaust gas and controlling the temperature of fuel reformers for in-vehicle fuel cells.

熱電変換素子は、例えば、P型とN型半導体をめっきや半田、あるいは銀ろう等によりPN接合して素子となした構成である。これらの素子を形成するための熱電変換材料として、高性能を有するZn4Sb3、IrSb3、Bi2Te3、PbTe等のカルコゲン系化合物のほか、熱電特性は低いが資源的に豊富なFeSi2、Si-Ge合金等のケイ化物が知られている。 The thermoelectric conversion element has a configuration in which, for example, a P-type and an N-type semiconductor are PN-bonded by plating, soldering, silver brazing, or the like to form an element. In addition to high-performance chalcogen compounds such as Zn 4 Sb 3 , IrSb 3 , Bi 2 Te 3 , and PbTe as thermoelectric conversion materials for forming these elements, FeSi is abundant in resources but has low thermoelectric properties. 2. Silicides such as Si-Ge alloys are known.

なお、熱電変換素子は、P型とN型の熱電変換材料の両端に温度勾配を設けて熱を電気に直接変換したり、逆に前記材料に電圧を印加して電気を熱に変換したりすることができる素子であり、後者はペルチェ素子としてよく知られている。この素子の特長は可動部を必要としないことである。   Note that the thermoelectric conversion element directly converts heat into electricity by providing a temperature gradient at both ends of the P-type and N-type thermoelectric conversion materials, or conversely converts electricity into heat by applying a voltage to the material. The latter is well known as a Peltier element. The feature of this element is that no moving parts are required.

熱電変換素子(ペルチェ素子)は、材料に与えた温度勾配(電位差)を利用して熱起電力(温度差)を発生させており、その変換効率は熱電(電熱)変換素子の性能指数(ZT=TS2/ρκ、ここでTは絶対温度、Sはゼーベック係数、ρは電気抵抗率、κは熱伝導率)の関数で表され、現状ではZT=1程度であり、その変換効率は数%と低く十分とは言えないものであった。この変換効率はZTが高い程向上するために、出来る限り高い性能指数を有する材料あるいは熱電変換素子が求められている。 A thermoelectric conversion element (Peltier element) generates a thermoelectromotive force (temperature difference) using a temperature gradient (potential difference) applied to the material, and its conversion efficiency is a figure of merit (ZT) of the thermoelectric (electrothermal) conversion element. = TS 2 / ρκ, where T is the absolute temperature, S is the Seebeck coefficient, ρ is the electrical resistivity, and κ is the thermal conductivity), and at present ZT = 1 or so, and its conversion efficiency is several The percentage was low and not enough. Since this conversion efficiency increases as ZT increases, a material or a thermoelectric conversion element having a performance index as high as possible is required.

現在、ほとんどのBi-Te系の熱電材料はブリッジマン法、チョクラルスキー法、ゾーンメルト法による単結晶技術を使ってほぼ単結晶に近い結晶状態で作製するか、あるいはホットプレスによる粉末冶金法を使って多結晶体として作製されている。熱電変換素子の製造方法等に関する技術としては、例えば特許文献1には粉末を焼結させて熱電素子を作製することが記載されており、またBi2Te3を主材としSe、Sbを添加することが記載されているが、それぞれBi2Se3、Sb2Te3等の形で含有されるものであり、Bi2Te3の基本構造を崩すものではない。
特開2002-33525
At present, most Bi-Te-based thermoelectric materials are produced in a crystal state close to a single crystal by using the single crystal technology by Bridgeman method, Czochralski method, zone melt method, or powder metallurgy method by hot pressing It is produced as a polycrystal using For example, Patent Document 1 describes that a thermoelectric element is produced by sintering powder, and Se and Sb are added as a main material of Bi 2 Te 3 as a technique related to a method for manufacturing a thermoelectric conversion element. However, it is contained in the form of Bi 2 Se 3 , Sb 2 Te 3, etc., and does not destroy the basic structure of Bi 2 Te 3 .
JP2002-33525

電熱あるいは熱電の変換素子の変換効率は、太陽電池(約17%)等に比べて非常に低く、現状ではわずか数%にすぎず、これが熱電変換素子あるいはペルチェ素子の用途を狭めている原因であり、また熱電変換素子が普及しない理由でもある。   The conversion efficiency of electrothermal or thermoelectric conversion elements is very low compared to solar cells (about 17%), and it is only a few percent at present, which is why the applications of thermoelectric conversion elements or Peltier elements are narrowing. There is also a reason why thermoelectric conversion elements are not widespread.

Bi-Te系熱電材料の単結晶は、石英管内に真空あるいはアルゴンガス封入した原料を温度勾配のある電気炉内で溶湯させた後、石英管を引き上げて結晶成長させることによって作製されている。   A single crystal of a Bi-Te thermoelectric material is manufactured by melting a raw material sealed in a quartz tube with vacuum or argon gas in an electric furnace having a temperature gradient, and then pulling up the quartz tube to grow a crystal.

特に単結晶体は(001)の碧開面(c面)に沿ってクラックが入りやすいという性質がある。一方、多結晶体ではキャリアーの粒界散乱により電気抵抗率が高くなり性能指数が低下するという問題がある。このため高い性能指数(ZT)を有するモジュールを作製する場合には、単結晶体を使用するが、機械的強度を優先させる場合には多結晶体を使用している。   In particular, single crystals have the property of being prone to cracks along the (001) cleavage plane (c-plane). On the other hand, the polycrystalline body has a problem that the electrical resistivity increases due to the grain boundary scattering of the carrier and the figure of merit decreases. For this reason, when producing a module having a high figure of merit (ZT), a single crystal is used, but when giving priority to mechanical strength, a polycrystal is used.

一般にBi-Te系熱電材料を単結晶に近い状態でペルチェーモジュールとして使用するときには、この機械的強度を優先させるためにモジュールに流す電流の方向が結晶の引き上げ方向、つまり結晶のc軸に垂直になるように組み立てられている。   In general, when Bi-Te thermoelectric materials are used as Peltier modules in a state close to a single crystal, the direction of the current flowing through the module is perpendicular to the crystal pulling direction, that is, the crystal c-axis, in order to prioritize this mechanical strength. It is assembled to become.

性能指数と機械的強度の両者を満足させるために、Bi-Teの組成や添加物の種類、添加量、製法等も種々検討されたが、室温での性能指数が1を大きく超えることはなかった。またゼーベック係数は単結晶の方位には敏感でなく、結晶異方性はほとんどないが、熱伝導率はc軸に垂直な方向よりもc軸方向で低く、逆に電気抵抗率はc軸に垂直な方向よりもc軸方向で高くなるので、結晶方位の選択によって性能指数は変化するが、室温での性能指数が1を大きく超えることはなかった。   In order to satisfy both the figure of merit and mechanical strength, various studies were made on the composition of Bi-Te, the type of additive, the amount added, the production method, etc., but the figure of merit at room temperature does not greatly exceed 1. It was. The Seebeck coefficient is not sensitive to the orientation of the single crystal and there is almost no crystal anisotropy, but the thermal conductivity is lower in the c-axis direction than in the direction perpendicular to the c-axis, and conversely, the electrical resistivity is in the c-axis. Since the figure of merit was higher in the c-axis direction than in the vertical direction, the figure of merit changed depending on the crystal orientation, but the figure of merit at room temperature did not greatly exceed 1.

この発明は、性能指数を向上させた発電用の熱電変換素子と発電用の熱電モジュールとその製法を提供することを目的としている。   An object of the present invention is to provide a thermoelectric conversion element for power generation with improved performance index, a thermoelectric module for power generation, and a manufacturing method thereof.

上記の課題を解決するためには、ゼーベック係数を飛躍的に向上させることが最も効果的である。最近、P-N接合した半導体では、接合面に垂直方向の温度勾配をかけると、接合界面付近で急激な温度勾配がかかり、熱起電力が増加することがBalmushらによって指摘された(I.I. Balmush et al.,
Semiconductors 29 (1995) 937)。
In order to solve the above problems, it is most effective to dramatically increase the Seebeck coefficient. Recently, it was pointed out by Balmush et al. (II Balmush et al) that in a PN-bonded semiconductor, when a vertical temperature gradient is applied to the bonding surface, a rapid temperature gradient is applied in the vicinity of the bonding interface and the thermoelectromotive force increases. .,
Semiconductors 29 (1995) 937).

さらに最近、Bi-Te系熱電材料を所定の厚みの金属と接合することにより、接合した境界の界面効果によりゼーベックが飛躍的に増加することが本発明者らによって発見された(特願2005-092061、特願2005-194040)。   More recently, the present inventors have found that Seebeck is dramatically increased by bonding the Bi-Te-based thermoelectric material with a metal of a predetermined thickness due to the interface effect of the bonded boundary (Japanese Patent Application 2005- 092061, Japanese Patent Application 2005-194040).

発明者らは、このような界面効果をさらに増大させことを目的に、Bi-Te系熱電材料と金属の長さとBi-Te系熱電変換素子に印加する温度勾配の印加方法を種々検討した結果、発電用の高性能熱電変換素子が得られることを見出した。   The inventors have conducted various studies on the application method of the temperature gradient applied to the Bi-Te thermoelectric conversion element, the length of the Bi-Te thermoelectric material and the metal, and the Bi-Te thermoelectric conversion element, with the aim of further increasing such interfacial effects. The inventors have found that a high-performance thermoelectric conversion element for power generation can be obtained.

本発明の熱電変換素子(図1)の製造方法は、熱源に接する熱電材料の表面にメッキした後、金属と半田付けして組み立てる方法であり、熱電素子の全長lに対する熱電素材の長さlBの比率(x=lB/l)を0.83以下とすることを特徴とするものである。また高性能な発電モジュール(図2)の製造方法はx=0.45以下のP型とN型の熱電素子を交互に直列に連結することを特徴とするものである。 The method of manufacturing the thermoelectric conversion element (FIG. 1) of the present invention is a method in which the surface of the thermoelectric material in contact with the heat source is plated and then assembled by soldering with metal, and the length l of the thermoelectric material relative to the total length l of the thermoelectric element The ratio of B (x = l B / l) is 0.83 or less. A method for producing a high-performance power generation module (FIG. 2) is characterized in that P-type and N-type thermoelectric elements having x = 0.45 or less are alternately connected in series.

Bi-Te系熱電材料のインゴットは熱電変換材料を石英管の中で溶解した後、石英管を1〜20cm/hrの引上速度で引上げて作製することを特徴とするものである。Bi2Te3系材料は結晶のc面間でVan der Waals結合をしているので、c面間の結合力が弱いという欠点がある。一般に結晶粒径が大きくなるほど材料の機械的強度は低下する。本発明の熱電素材の平均結晶粒径の大きさは規定しないが、熱電変換材料の機械的強度が懸念されるような結晶粒径を有する場合には、組み立てた素子の周囲四側面を熱伝導率の極めて低い樹脂で被覆することによって通常の熱電変換素子よりもむしろ強固にすることができる。 An ingot of a Bi-Te-based thermoelectric material is characterized in that a thermoelectric conversion material is dissolved in a quartz tube and then the quartz tube is pulled up at a pulling speed of 1 to 20 cm / hr. Since Bi 2 Te 3 -based materials have Van der Waals bonds between the c-planes of the crystal, there is a drawback that the bonding force between the c-planes is weak. Generally, the mechanical strength of the material decreases as the crystal grain size increases. Although the size of the average crystal grain size of the thermoelectric material of the present invention is not specified, when the crystal grain size is such that the mechanical strength of the thermoelectric conversion material is a concern, the four sides of the assembled element are thermally conductive. By coating with a resin having a very low rate, it is possible to make it stronger rather than a normal thermoelectric conversion element.

本発明の熱電変換材料は、Bi2Te3をもしくはSb2Te3を主材とし、特にP型半導体である場合には、添加元素として4族元素、6族元素、7族元素の少なくとも1種以上を12wt.%以下含有するものであり、N型半導体であるである場合には、添加元素として6族元素、7族元素、ハロゲン化物の少なくとも1種を0.25wt.%以下含有するものであってもよい。また電極用の金属は電気抵抗率が低く、且つ熱伝導率が高く、しかも耐食性に優れた材料が好ましい。なお、本発明において熱電変換材料とは発電用の熱電変換素子に使用する材料である。 The thermoelectric conversion material of the present invention uses Bi 2 Te 3 or Sb 2 Te 3 as a main material, and particularly in the case of a P-type semiconductor, the additive element is at least one of Group 4, Element 6, and Group 7 elements. Containing 12 wt.% Or less of seeds or more, and in the case of an N-type semiconductor, containing 0.25 wt.% Or less of at least one of group 6 element, group 7 element and halide as an additive element It may be. The electrode metal is preferably a material having low electrical resistivity, high thermal conductivity, and excellent corrosion resistance. In the present invention, the thermoelectric conversion material is a material used for a thermoelectric conversion element for power generation.

現在市販されている熱電変換モジュールは、熱電素子の全長lに対する熱電素材の長さlBの比率(x=lB/l)がx=0.85を超えており、本発明の熱電変換素子の製造方法によって製造される熱電モジュールはxを0.83以下とする点でもそれ自体が新規なものである。 The thermoelectric conversion module currently on the market has a ratio of the length l B of the thermoelectric material to the total length l of the thermoelectric element (x = l B / l) exceeds x = 0.85, and the production of the thermoelectric conversion element of the present invention The thermoelectric module manufactured by this method is also novel in that x is 0.83 or less.

さらに高性能な熱電変換素子は熱電素子の全長lに対する熱電素材の長さlBの比率(x=lB/l)を0.20以下にしたときには、熱電変換素子の性能指数が大幅に増加し、x=0.15では7を超えた。ZT=7の値を使ってTc=300KとTh=350Kの温度差の下での最大エネルギー変換効率を計算すると約13%になる。この変換効率は太陽電池のエネルギー変換効率17%よりも低いが、従来のモジュールの3倍以上である。 Furthermore, when the ratio of the thermoelectric material length l B to the total length l of the thermoelectric element l B (x = l B / l) is 0.20 or less, the performance index of the thermoelectric conversion element greatly increases. It exceeded 7 at x = 0.15. Using the value of ZT = 7, the maximum energy conversion efficiency under the temperature difference of Tc = 300K and Th = 350K is calculated to be about 13%. This conversion efficiency is lower than the solar cell energy conversion efficiency of 17%, but more than three times that of the conventional module.

このような変換素子を使って発電モジュールを作製し、周期的に変化する温度勾配のもとで使用することにより、出力電力は温度勾配一定ときの約3倍に向上することが分かった。この本発明のモジュールは周期的に変化する温度勾配を印加することを特徴とする発電モジュールである。   It was found that by using such a conversion element to produce a power generation module and using it under a temperature gradient that changes periodically, the output power is improved to about three times that when the temperature gradient is constant. The module according to the present invention is a power generation module that applies a temperature gradient that changes periodically.

この発明は、rhombohedral型結晶構造を有するBi2Te3化合物中のBi原子の一部を5族元素で置換した化合物に、あるいはTe原子の一部を6族元素で置換した化合物に、添加元素として4族元素、6族元素や7族元素を単独もしくは複合添加したBi2Te3系熱電材料に関するものである。熱電変換素子全長に対する熱電材料の長さの割合を所定の比率にした熱電変換素子を使って熱電モジュールを組み立てることにより、金属と熱電材料との間の界面効果によりゼーベック係数Sが飛躍的に増大し、熱電変換素子の性能指数と熱電モジュールの発電効率が大幅に改善できることを知見した。本発明はこれらの知見に基づいてなされたものであり、以下、その実施の形態について詳細に説明する。 The present invention relates to a compound in which a part of Bi atom in a Bi 2 Te 3 compound having a rhombohedral crystal structure is substituted with a group 5 element or a compound in which a part of Te atom is substituted with a group 6 element. The present invention relates to a Bi 2 Te 3 thermoelectric material in which a group 4, element 6 or group 7 element is added alone or in combination. By assembling a thermoelectric module using a thermoelectric conversion element in which the ratio of the length of the thermoelectric material to the total length of the thermoelectric conversion element is a predetermined ratio, the Seebeck coefficient S increases dramatically due to the interface effect between the metal and the thermoelectric material. They found that the figure of merit of thermoelectric conversion elements and the power generation efficiency of thermoelectric modules can be greatly improved. The present invention has been made based on these findings, and the embodiments thereof will be described in detail below.

Bi-Te系熱電変換材料は石英管の中で溶解した後、石英管を1〜20cm/hrの引上速度で引上げて結晶粒のc面が引き上げ方向に揃うようにして単結晶に近いインゴットを作製しても良いし、また機械的強度を向上させるためにインゴットを粉砕してホットプレス法により多結晶体を作製しても良い。またBi-Te系熱電材料を蒸着法やスパッタリング法により金属板上に薄膜を成膜し、金属と熱電材料の厚みの比率が所定の比率になるようにしたものを多層化して作製しても良い。いずれの方法を採用しても性能指数の高いBi2Te3系熱電変換素子が得られる。 The Bi-Te-based thermoelectric conversion material is melted in a quartz tube, and then the quartz tube is pulled up at a pulling speed of 1 to 20 cm / hr so that the c-planes of the crystal grains are aligned in the pulling direction. In order to improve mechanical strength, an ingot may be pulverized and a polycrystalline body may be produced by a hot press method. Alternatively, a Bi-Te thermoelectric material can be produced by depositing a thin film on a metal plate by vapor deposition or sputtering, and then multilayering the metal and thermoelectric material so that the thickness ratio is a predetermined ratio. good. Either method can be used to obtain a Bi 2 Te 3 thermoelectric conversion element having a high figure of merit.

Bi2Te3系熱電材料は、本来はP型の熱電特性を示すが、Bi2Te3は正孔のキャリアー濃度が高すぎるので、正孔のキャリアー濃度を減らすように結晶中に入った時に電子を放出する6族のカルコゲン元素を添加して性能指数を高めている。一方N型半導体に本発明を適用する実施の形態においては、6族のカルコゲン元素、7族のハロゲン元素あるいは金属元素のハロゲン化物を添加して極性を正から負にかえると同時に、その添加量でキャリアー濃度を調整して性能指数を向上させている。 Bi 2 Te 3 based thermoelectric materials originally show P-type thermoelectric properties, but Bi 2 Te 3 has a hole carrier concentration that is too high, so when entering the crystal to reduce the hole carrier concentration. The figure of merit is increased by adding a group 6 chalcogen element that emits electrons. On the other hand, in an embodiment in which the present invention is applied to an N-type semiconductor, the polarity is changed from positive to negative by adding a group 6 chalcogen element, a group 7 halogen element, or a halide of a metal element, and the addition amount thereof To improve the figure of merit by adjusting the carrier concentration.

Bi2Te3系熱電材料への添加元素や添加物の添加量は、目的とする極性とキャリアー濃度(〜1019cm-3)を有する半導体となすためには、P型では少なくとも1種を3wt.%以上添加することが望ましく、また15wt.%を越えて添加すると、逆に不純物効果によって電気抵抗率が増加する場合もあるため15wt.%未満であることが好ましく、特に好ましくは3〜12wt.%である。複合して添加する場合には、総添加量で4〜13wt.%にすることが望ましい。またN型では少なくとも1種を0.01wt.%以上の添加が必要であり、また0.10wt.%を越えて添加すると逆に不純物効果によって電気抵抗率が増加する場合もあるため0.10wt.%以下であることが好ましい。複合して添加する場合には、総添加量で0.09〜0.25wt.%にすることが望ましい。 The additive amount of additive elements and additives to the Bi 2 Te 3 system thermoelectric material must be at least one in the P type in order to make a semiconductor having the desired polarity and carrier concentration (˜10 19 cm −3 ). It is desirable to add 3 wt.% Or more, and if it exceeds 15 wt.%, The electrical resistivity may increase due to the impurity effect, and therefore it is preferably less than 15 wt.%, Particularly preferably 3 to 12 wt.%. When adding in combination, the total addition amount is preferably 4 to 13 wt.%. In addition, N type requires addition of at least 0.01 wt.% Or more, and if it exceeds 0.10 wt.%, The electrical resistivity may increase due to the impurity effect. It is preferable that When adding in combination, the total addition amount is preferably 0.09 to 0.25 wt.%.

添加元素は4族元素としては、Si、Ge、Sn、Pb、6族元素としては、S、Se、Te、7族元素としては、Br、Iが好ましく、複合添加するときにはこれら各種元素の化合物やまた主成分元素との化合物を用いても良い。   The additive element is Si, Ge, Sn, Pb as the Group 4 element, S, Se, Te as the Group 6 element, Br, I as the Group 7 element, and compounds of these various elements when added in combination Alternatively, a compound with a main component element may be used.

一般にペルチェ素子や熱電変換素子の使用温度域は用途によって異なるために、当然要求される温度域で高い性能指数(ZT)を有する材料が求められる。このためBi2Te3系熱電材料の主成分は用途に応じて適宜選択される。たとえば、低温で使用する場合にはP型であれば、BiをSbより多く含有させ、室温付近で使用する場合は逆にBiをSbより少なくする、というように選択する。 In general, the operating temperature range of the Peltier element and the thermoelectric conversion element varies depending on the application, so that a material having a high figure of merit (ZT) in the required temperature range is required. For this reason, the main component of the Bi 2 Te 3 series thermoelectric material is appropriately selected according to the application. For example, in the case of P type when used at a low temperature, Bi is contained more than Sb, and when used near room temperature, Bi is selected to be less than Sb.

結晶の引上速度が20cm/hrを超えると、結晶のc軸配向度が低下してインゴットの引上方向に垂直方向の熱伝導率が増加して性能指数は低下するが、引上速度が2cm/hr未満の場合は大半の添加元素が結晶粒界に析出して引上方向に垂直方向の電気抵抗率が増加し、性能指数が同様に低下する。したがって引上速度は2〜20cm/hrが好ましい。   When the crystal pulling speed exceeds 20 cm / hr, the degree of c-axis orientation of the crystal decreases, the thermal conductivity in the direction perpendicular to the pulling direction of the ingot increases, and the figure of merit decreases, but the pulling speed decreases. If it is less than 2 cm / hr, most of the additive elements precipitate at the grain boundaries, the electrical resistivity in the direction perpendicular to the pulling direction increases, and the figure of merit decreases as well. Accordingly, the pulling speed is preferably 2 to 20 cm / hr.

溶湯から多結晶体インゴットを作製する方法としては、ブリッジマン法、ゾーンメルト法のいずれの方法で作製しても良い。また粉末冶金法で多結晶体を作製する場合は、インゴットを微粉砕して粉末をプレス成形して焼結する方法でもホットプレス法で成形しても良い。本材料は単結晶体でも多結晶体で良いが、低い熱伝導率を与える組成が好ましい。熱伝導率が低いほど、金属に近い熱電材料の内部で発生した温度勾配が増大し、その温度勾配に比例した熱起電力が発生する。   As a method for producing a polycrystalline ingot from a molten metal, any method of the Bridgeman method and the zone melt method may be used. When a polycrystalline body is produced by powder metallurgy, the ingot may be finely pulverized and the powder may be press-molded and sintered, or may be molded by hot press. The material may be a single crystal or a polycrystal, but a composition giving low thermal conductivity is preferable. The lower the thermal conductivity, the greater the temperature gradient generated inside the thermoelectric material close to the metal, and a thermoelectromotive force proportional to the temperature gradient is generated.

速い結晶成長速度で作製したインゴットの結晶粒界には、添加元素や添加物が多く偏析あるいは析出しており、それらは結晶粒内にはあまり分散しないが、遅い成長速度で作製したインゴットの結晶組織は結晶粒径が大きくしかも添加元素や添加物が結晶粒内にもかなり分散する。添加元素が結晶粒内に適度に分散するとフォノンによる熱伝導率が低下すると同時に、添加元素がイオン化してキャリアーを放出するので、電気抵抗率も低下する傾向を示す。しかし添加元素が偏析しているとこの逆の傾向を示す。したがって電気抵抗率は結晶成長速度によって影響されるので、添加元素が結晶粒内で適度な分散状態になるように結晶成長速度を制御すれば、電気抵抗率の増加はかなり抑えることができる。   Ingots produced at a high crystal growth rate have a large amount of additive elements and additives segregated or precipitated in the grain boundaries, and they do not disperse very much within the crystal grains, but crystals of ingots produced at a slow growth rate The structure has a large crystal grain size, and the additive elements and additives are considerably dispersed within the crystal grains. When the additive element is appropriately dispersed in the crystal grains, the thermal conductivity due to the phonon is lowered, and at the same time, the additive element is ionized to release carriers, so that the electrical resistivity tends to be lowered. However, when the additive element is segregated, the opposite tendency is exhibited. Therefore, since the electrical resistivity is influenced by the crystal growth rate, if the crystal growth rate is controlled so that the additive element is in an appropriate dispersed state in the crystal grains, the increase in the electrical resistivity can be suppressed considerably.

粉末冶金法で作製する場合には、焼結条件あるいはホットプレス時の成形温度を制御することによって、添加元素は結晶粒内に適度に分散するので、電気抵抗率の増加はかなり抑えることができる。粉末冶金法による多結晶体の作製条件は粉末粒径、材料の組成、添加元素によって影響を受けるので、用途に応じて作製条件を選べばよい。   When the powder metallurgy method is used, the additive element is appropriately dispersed in the crystal grains by controlling the sintering conditions or the molding temperature during hot pressing, so that the increase in electrical resistivity can be suppressed considerably. . The production conditions for the polycrystalline body by the powder metallurgy method are affected by the powder particle size, the composition of the material, and the additive elements, so the production conditions may be selected according to the application.

インゴットの成長開始温度は、Bi2Te3系化合物が溶けた状態であれば、何度℃でも良いが、溶湯中の雰囲気は真空もしくは不活性ガスが好ましい。 The growth temperature of the ingot may be any number of degrees Celsius as long as the Bi 2 Te 3 compound is dissolved, but the atmosphere in the molten metal is preferably a vacuum or an inert gas.

温度勾配の方向を一定にして発電するモジュールに使用する熱電素子の場合には、素子の全長lに対する熱電素材の長さlBの比率(x=lB/l)を0.83以下とし、金属の長さlMが1mm以下で且つ熱電材料の長さlBを3mm以下にすることにより、素子の性能指数を1.3以上に高めることが可能になった。これは市販の熱電素子の性能指数の約2倍に相当する。特にxが0.20以下で且つlBを0.1mm以下にすることにより熱電素子の性能指数は7を超え、特にx=0.143でlB=0.05mmのときには性能指数は13.2になり、Tc=300KとTh=350Kの温度差の下での最大エネルギー変換効率の計算値は15%に達した。これは太陽電池のエネルギー変換効率17%よりも僅かに低いエネルギー変換効率である。 In the case of a thermoelectric element used in a module that generates electricity with a constant temperature gradient direction, the ratio of the length l B of the thermoelectric material to the total length l of the element (x = l B / l) is 0.83 or less, By making the length l M 1 mm or less and the thermoelectric material length l B 3 mm or less, the performance index of the device can be increased to 1.3 or more. This corresponds to about twice the figure of merit of commercially available thermoelectric elements. In particular, when x is 0.20 or less and l B is 0.1 mm or less, the figure of merit of the thermoelectric element exceeds 7, especially when x = 0.143 and l B = 0.05 mm, the figure of merit becomes 13.2 and Tc = 300K. The calculated value of maximum energy conversion efficiency under the temperature difference of Th = 350K reached 15%. This is an energy conversion efficiency slightly lower than the energy conversion efficiency 17% of the solar cell.

さらにこれらの熱電素子を使って組み立てた発電モジュールの出力電力も上述の結果を裏付けるように、熱電素子の性能指数の向上とともに飛躍的に向上した。このような高い性能指数が得られたのは、使用した熱電材料の極端に低い熱伝導率と界面効果によるゼーベック係数の飛躍的な増加のためである。   Furthermore, the output power of the power generation module assembled using these thermoelectric elements has been dramatically improved along with the improvement of the performance index of the thermoelectric elements so as to support the above results. Such a high figure of merit was obtained because of the dramatic increase in Seebeck coefficient due to the extremely low thermal conductivity and interface effect of the thermoelectric material used.

さらに本発明のモジュールは、熱電材料と金属の長さが所定の比率を保つ限り、素子長を短くするほど性能指数が向上するという性質がある。これは熱電材料の電気抵抗の低下と熱電材料内での界面効果によるゼーベック係数の増加領域の相対的な拡大による。したがって本発明モジュールは従来モジュールより軽薄短小にできるという利点もある。   Furthermore, the module of the present invention has a property that the figure of merit improves as the element length is shortened as long as the length of the thermoelectric material and the metal maintains a predetermined ratio. This is due to the relative expansion of the region where the Seebeck coefficient increases due to the decrease in the electrical resistance of the thermoelectric material and the interface effect within the thermoelectric material. Therefore, the module of the present invention has the advantage that it can be made lighter, thinner and smaller than the conventional module.

一方、温度勾配の方向を周期的に交互に変化させて発電するモジュールに使用する熱電素子の場合には、金属の長さlMを0.5mm以下で且つ熱電材料の長さlBを3mm以下にして素子の全長lに対する熱電素材の長さlBの比率(x=lB/l)を0.15以下にすることにより、素子の性能指数を1.3以上に高めることが可能になった。特にlBが0.1mm以下でlMが0.3mm以下のときには、熱電素子の性能指数は7を超えた。 On the other hand, in the case of a thermoelectric element used for a module that generates electricity by periodically changing the direction of the temperature gradient, the metal length l M is 0.5 mm or less and the thermoelectric material length l B is 3 mm or less. By making the ratio of the length l B of the thermoelectric material to the total length l of the element (x = l B / l) 0.15 or less, the performance index of the element can be increased to 1.3 or more. Especially when the l B below in l M is 0.3mm or less 0.1mm, the performance index of the thermoelectric elements was greater than 7.

これらの熱電素子を使って組み立てた発電モジュールに周期的に変化する電圧(図3)を印加して温度勾配を周期的に変化させたときの出力電力は、温度勾配一定の場合と異なり、xよりもむしろ熱電材料の長さlBと金属の厚みlMに強く依存し、lBが0.5mm以下でlMが4mm以下のときに高い出力電力が得られる。図3に示すような周期的な電圧を発熱用と冷却用モジュールに印加して、周期的な温度勾配を与えることによってモジュールの出力電圧は直流電圧を印加したときよりも高くなり、T=240secの周期電圧では直流電圧印加時の約3倍の出力電圧が得られた。 Unlike the case where the temperature gradient is constant, the output power when the periodically changing voltage (Fig. 3) is applied to the power generation module assembled using these thermoelectric elements is x Rather, it strongly depends on the length l B of the thermoelectric material and the metal thickness l M , and high output power can be obtained when l B is 0.5 mm or less and l M is 4 mm or less. By applying a periodic voltage as shown in Fig. 3 to the heating and cooling modules and applying a periodic temperature gradient, the output voltage of the module becomes higher than when a DC voltage is applied, T = 240 sec The output voltage was about 3 times that of the DC voltage applied.

周期的な温度勾配を与えることによって熱起電力が増加したのは、金属と熱電材料の界面近くの熱電材料内で急激な温度勾配が発生し、ゼーベック係数が飛躍的に向上したためである。つまり熱電材料の熱伝導率が極端に低いときには、熱伝導率の極めて高い金属からの熱流が熱電材料に瞬間的に流れずに、また熱電材料内部にまで熱流は達せずに界面に接した熱電材料の表層部だけに熱が貯まりやすくなるからである。これが界面に近い熱電材料の中で急激な温度勾配を生み出した理由である。したがって界面効果と金属のヒートシンク効果によってゼーベック係数は向上していると考えられる。   The reason why the thermoelectromotive force is increased by applying the periodic temperature gradient is that a rapid temperature gradient is generated in the thermoelectric material near the interface between the metal and the thermoelectric material, and the Seebeck coefficient is drastically improved. In other words, when the thermal conductivity of the thermoelectric material is extremely low, the heat flow from a metal with extremely high thermal conductivity does not flow instantaneously into the thermoelectric material, and the heat flow does not reach the inside of the thermoelectric material. This is because heat easily accumulates only in the surface layer portion of the material. This is the reason why a steep temperature gradient was created in the thermoelectric material close to the interface. Therefore, the Seebeck coefficient is considered to be improved by the interface effect and the metal heat sink effect.

熱電素子を構成している金属Mの電気抵抗率が低く且つ熱伝導率が高くて、熱電変換材料Bのゼーベック係数が高く且つ熱伝導率が低くて、各構成材料が所定のlBとlMを有するときに素子の性能指数はもっとも増加する。熱電変換材料としては、性能指数の高い材料を使用した方が素子の性能指数は大きくなる。特に構成材料が適度な寸法を有するときには、最大性能指数は10を超えて、Bi2Te3系熱電材料そのものの10倍以上にも増加する。 The electrical resistivity of the metal M constituting the thermoelectric element is low and the thermal conductivity is high, the Seebeck coefficient of the thermoelectric conversion material B is high and the thermal conductivity is low, and each constituent material has predetermined l B and l The element figure of merit increases most when it has M. As the thermoelectric conversion material, the performance index of the device increases when a material having a high performance index is used. In particular, when the constituent materials have appropriate dimensions, the maximum figure of merit exceeds 10 and increases by more than 10 times that of the Bi 2 Te 3 series thermoelectric material itself.

このように性能指数を飛躍的に向上させた高性能熱電変換素子(ZT>7)は、素子全長が0.5mm以下であるために、従来素子の厚みの2分の1から3分の1に薄くできる利点がある。これは狭い空間でモジュールを熱源に貼り付けてモジュールの外側を冷却して発電するのに適しているだけでなく、使用原料のコスト削減や熱電モジュールの重量軽減にも効果がある。さらに本提案のモジュールの変換効率はTc=300KとTh=350Kの温度差の下では最大発電効率が10%を超えるために、排熱エネルギー回収が可能になると同時に、多様な用途展開も可能になる。特に車載用には適していることがわかる。   In this way, the high-performance thermoelectric conversion element (ZT> 7) with dramatically improved figure of merit has a total element length of 0.5 mm or less, so it is reduced from one-half to one-third of the thickness of the conventional element. There is an advantage that can be thinned. This is suitable not only for attaching a module to a heat source in a narrow space and cooling the outside of the module to generate electricity, but also for reducing the cost of raw materials used and reducing the weight of the thermoelectric module. Furthermore, since the conversion efficiency of the proposed module exceeds 10% under the temperature difference of Tc = 300K and Th = 350K, the exhaust heat energy can be recovered and various applications can be developed. Become. It turns out that it is particularly suitable for in-vehicle use.

熱電材料を金属で挟んだサンドイッチ型の熱電変換素子のゼーベック係数Sは金属電極と熱電材料との間の界面効果により素材本来のゼーベック係数よりも著しく増大し、性能指数も飛躍的に向上する。このゼーベック係数の増加率は熱電材料と金属の接合方法によっても変化する。つまり半田接合するときに、双方の材料を構成する原子の相互拡散が起こらないようにする必要がある。原子が相互拡散すると、熱電材料の熱伝導率が増加し、界面近くの熱電材料内での温度勾配が著しく低下してゼーベック係数の増加率が低下するからである。   The Seebeck coefficient S of a sandwich-type thermoelectric conversion element in which a thermoelectric material is sandwiched between metals is remarkably increased from the original Seebeck coefficient due to the interface effect between the metal electrode and the thermoelectric material, and the figure of merit is dramatically improved. The increase rate of the Seebeck coefficient also varies depending on the joining method of the thermoelectric material and the metal. That is, it is necessary to prevent mutual diffusion of atoms constituting both materials when soldering. This is because when the atoms are interdiffused, the thermal conductivity of the thermoelectric material is increased, the temperature gradient in the thermoelectric material near the interface is significantly decreased, and the increase rate of the Seebeck coefficient is decreased.

金属としては電気抵抗率が低く且つ熱伝導率が高いものが好ましい、また熱電材料としては界面近くで急激な温度勾配が発生するように、熱伝導率の低い材料が好ましい。使用する金属は耐食性に優れた材料である必要があるために、Cu、Ag、Au等の貴金属の単体もしくは合金が好ましい。熱電変換材料としては、特に規定しないが、性能指数が高く熱伝導率の低い熱電材料を使った方が素子の性能指数は飛躍的に向上する。   A metal having low electrical resistivity and high thermal conductivity is preferable, and a thermoelectric material is preferably a material having low thermal conductivity so that a rapid temperature gradient is generated near the interface. Since the metal to be used needs to be a material excellent in corrosion resistance, a simple metal or an alloy of noble metals such as Cu, Ag and Au is preferable. The thermoelectric conversion material is not particularly defined, but the performance index of the device is dramatically improved by using a thermoelectric material having a high performance index and a low thermal conductivity.

ゼーベック効果を利用した従来の熱発電は全て温度勾配の方向は一定であった。それは熱源と冷熱源の位置が決まっているためである。しかしながら熱電素子にかかる温度勾配の方向を周期的に変えることによって、熱電材料と金属との界面での温度勾配が急激になり界面効果によるゼーベック係数を増大させることができることが本発明によって見出された。   The conventional thermoelectric generation using the Seebeck effect has a constant temperature gradient direction. This is because the positions of the heat source and the cold source are determined. However, it has been found by the present invention that by periodically changing the direction of the temperature gradient applied to the thermoelectric element, the temperature gradient at the interface between the thermoelectric material and the metal becomes abrupt and the Seebeck coefficient due to the interface effect can be increased. It was.

熱電材料の長さを金属材料の長さの3分の1以下にして、適度な周期的な温度勾配をモジュールに印加することによりモジュールの出力電力は約3倍にまで向上した。このように高温側と低温側が交互に入れ替わる熱源は実際にはほとんど存在しないが、それを作り出すことは可能である。   By making the thermoelectric material length less than one-third of the metal material length and applying a moderate periodic temperature gradient to the module, the module output power was improved to about 3 times. Although there are actually few heat sources that alternate between the high temperature side and the low temperature side in this way, it is possible to create it.

周期的に変化する温度勾配を作り出して熱電変換効率を向上させる方法として、図4に示すように、発電用モジュールをある周期で回転させて、モジュールが高温の熱源からのヒートパイプと低温の熱源からのヒートパイプの間に交互に挟まれるようにすれば、固定された熱源からでも周期的に変化する温度勾配をモジュールに印加することができる。高温と低温の熱源を入れ替える時間間隔は1分を超えるので、モジュールを回転させる時間は十分にあり、可動に必要な電気エネルギーも少なく、十分実用化は可能である。   As shown in Fig. 4, as a method to improve the thermoelectric conversion efficiency by creating a temperature gradient that changes periodically, as shown in Fig. 4, the power generation module is rotated at a certain period, and the module is a heat pipe from a high-temperature heat source and a low-temperature heat source. If the heat pipes are alternately sandwiched between the heat pipes, a temperature gradient that periodically changes even from a fixed heat source can be applied to the module. Since the time interval for switching the heat source between high and low temperatures exceeds 1 minute, there is enough time to rotate the module, and less electric energy is required to move, so it can be put to practical use.

熱電材料と金属の接合は、接合金属が熱電材料や金属と固溶したり、反応したりしなければ、メッキした後半田接合するか、もしくはBiやBi-Sb合金を溶融させて接合材として利用しても良い。メッキ膜厚や接合材の厚みを薄くすれば、いずれの方法でも特性に大きな影響はない。   When joining the thermoelectric material to the metal, if the joining metal does not dissolve or react with the thermoelectric material or metal, either solder after soldering or melt the Bi or Bi-Sb alloy as a joining material. May be used. If the plating film thickness or the thickness of the bonding material is reduced, there is no significant effect on the characteristics by either method.

実施例1
本発明に係る熱電材料およびその製造方法の実施例について説明する。N型とP型のBi-Te系熱電材料を作製するために、使用した主成分および添加元素の各種配合を表1に示す。
Example 1
Examples of the thermoelectric material and the manufacturing method thereof according to the present invention will be described. Table 1 shows various combinations of main components and additive elements used to produce N-type and P-type Bi-Te thermoelectric materials.

このように元素や化合物を所定の割合で配合した後、20φの石英管の中に真空封入して高周波溶解して(使用原料の純度99.99%以上)、材料を溶解後、円柱状のインゴットの中央部から測定用試料を切断加工して25℃で熱電特性を測定した。これら試料の作製条件を表2に、また引き上げ方向の熱電特性の測定結果を表4に示す。   After compounding elements and compounds in a predetermined ratio in this way, vacuum sealed in a 20φ quartz tube and melting at high frequency (purity of raw material used is 99.99% or more), and after melting the material, the cylindrical ingot The measurement sample was cut from the center and the thermoelectric properties were measured at 25 ° C. Table 2 shows the preparation conditions of these samples, and Table 4 shows the measurement results of the thermoelectric properties in the pulling direction.

微細な結晶粒径の焼結体は、上記インゴットを粗粉砕した後、ジェットミルで微粉砕し表3中に示す温度でホットプレス法により作製した。作製した試料の平均結晶粒径を表3に、またプレス方向に垂直方向の熱電特性を表4に示す。   A sintered body having a fine crystal grain size was prepared by hot pressing at the temperatures shown in Table 3 after coarsely grinding the above ingot and then finely grinding with a jet mill. The average crystal grain size of the prepared samples is shown in Table 3, and the thermoelectric characteristics in the direction perpendicular to the pressing direction are shown in Table 4.

実施例2
熱電変換素子の組み立ては、5mm×5mmの形状に切断加工した後、表5に示す長さ寸法に切断した。また電極として使用するCuとAgも同表に示す長さ寸法に加工した。熱電材料の両端にNiメッキした後、CuあるいはAgと共晶半田で接合して図1に示すようなP型とN型の熱電素子を作製した。
Example 2
The assembly of the thermoelectric conversion element was cut into a 5 mm × 5 mm shape and then cut into lengths shown in Table 5. Cu and Ag used as electrodes were also processed to the length shown in the table. P-type and N-type thermoelectric elements as shown in FIG. 1 were fabricated by Ni plating on both ends of the thermoelectric material and then joining with Cu or Ag by eutectic solder.

作製したP型とN型の熱電変換素子の熱電特性を25℃で測定した結果を表5に示す。表5のP型とN型の熱電素子をπ結合させて図2に示すように作製した一対のモジュールの電気抵抗R、実効熱起電力Veffと出力電力Wの測定結果を表6に示す。   Table 5 shows the results of measuring the thermoelectric properties of the fabricated P-type and N-type thermoelectric conversion elements at 25 ° C. Table 6 shows the measurement results of the electrical resistance R, effective thermoelectromotive force Veff, and output power W of a pair of modules manufactured by π-bonding the P-type and N-type thermoelectric elements in Table 5 as shown in FIG.

モジュールの出力電力は測定した熱起電力Vと電気抵抗RからW=Veff2/4R(W)を用いて計算して算出した。熱起電力の測定は直列に接続した加熱用と冷却用のモジュール(内部抵抗0.55Ω/ヶ)に1.7V一定の直流電圧を印加して温度差を発生させた場合(T=∞に相当)と振幅1.7Vの電圧を一定周期Tで変化させて温度差を発生させた場合について測定した。なおモジュールの出力電力の合否基準は25(mW)とし、これ以上を合とした。 The output power of the module was calculated from the measured electromotive force V and electrical resistance R using W = Veff 2 / 4R (W). The thermoelectromotive force is measured when a temperature difference is generated by applying a constant DC voltage of 1.7 V to the heating and cooling modules connected in series (internal resistance 0.55 Ω / month) (corresponding to T = ∞) And a case where a temperature difference is generated by changing a voltage having an amplitude of 1.7 V at a constant period T. The pass / fail criterion for the output power of the module was 25 (mW), and more than that was acceptable.

この発明による、Bi2Te3系熱電材料と金属との組み合わせの場合には、金属と熱電材料の長さを所定の比率にして熱電変換素子を組み立てることにより、熱伝導の良好な金属ヒートシンク効果と金属と熱電材料との間の界面効果によりゼーベック係数Sが飛躍的に増大し、性能指数が大幅に改善できる。 In the case of the combination of Bi 2 Te 3 thermoelectric material and metal according to the present invention, by assembling the thermoelectric conversion element with the length of the metal and the thermoelectric material being a predetermined ratio, the metal heat sink effect with good heat conduction As a result, the Seebeck coefficient S increases dramatically due to the interface effect between the metal and the thermoelectric material, and the figure of merit can be greatly improved.

この発明による、Bi2Te3系熱電材料と金属との組み合わせの場合には、熱電モジュールに印加する温度勾配の方向を周期的に変化させることにより、発電効率が大幅に改善できる。 In the case of the combination of the Bi 2 Te 3 thermoelectric material and metal according to the present invention, the power generation efficiency can be greatly improved by periodically changing the direction of the temperature gradient applied to the thermoelectric module.

熱電変換素子の構成を示す斜視説明図である。It is a perspective explanatory view showing the composition of a thermoelectric conversion element. P型とN型熱電変換素子の組み立て構成を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the assembly structure of a P-type and an N-type thermoelectric conversion element. 熱電変換素子とモジュールへの電圧印加方法を示す電圧と時間のグラフである。It is a graph of the voltage and time which show the voltage application method to a thermoelectric conversion element and a module. 周期的に変化する温度勾配の印加方法を示す斜視説明図である。It is perspective explanatory drawing which shows the application method of the temperature gradient which changes periodically.

Claims (3)

Bi2Te3を主材とした熱電変換材料の単結晶体あるいは多結晶体を使って、熱電材料(長さ:lB)の両端に金属(長さ:lM)を接合し熱電材料の長さ(lB)と熱電変換素子の全長(lB+2lM)の比率x=lB/(lB+2lM)を0.83以下とすることを特徴とする熱電変換素子。 The Bi 2 Te 3 with a single crystal or polycrystal of the thermoelectric conversion materials composed primarily, the thermoelectric material (length: l B) across the metal (length: l M) of the joining of the thermoelectric material A thermoelectric conversion element characterized in that a ratio x = l B / (l B + 2l M ) between the length (l B ) and the total length (l B + 2l M ) of the thermoelectric conversion element is 0.83 or less. 熱電材料(長さ:lB)の両端に金属(長さ:lM)を接合した熱電変換素子を使って、熱電材料の長さ(lB)と熱電変換素子の全長(lB+2lM)の比率x=lB/(lB+2lM)を0.45以下とし、温度勾配の方向が変化しない条件下で発電させることを特徴とする発電用モジュール。 Using a thermoelectric conversion element in which metal (length: l M ) is bonded to both ends of the thermoelectric material (length: l B ), the length of the thermoelectric material (l B ) and the total length of the thermoelectric conversion element (l B + 2l power generation module, wherein the ratio of M) x = l B / a (l B + 2l M) and 0.45 or less, thereby generating under the direction of the temperature gradient does not change. 熱電材料(lB≦0.5mm)の両端に金属(lM≦4mm)を接合した熱電変換素子を使って、熱電材料の長さ(lB)と熱電変換素子の全長(lB+2lM)の比率x=lB/(lB+2lM)を0.63以下とし、周期的に変化する温度勾配を印加して発電させることを特徴とする発電用モジュール。 Using a thermoelectric conversion element with metal (l M ≤ 4 mm) bonded to both ends of a thermoelectric material (l B ≤ 0.5 mm), the length of the thermoelectric material (l B ) and the total length of the thermoelectric conversion element (l B +2 l M ) Ratio x = l B / (l B + 2l M ) is 0.63 or less, and a power generation module is configured to generate power by applying a periodically changing temperature gradient.
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009016831A (en) * 2007-06-29 2009-01-22 Gerhard Span Thermoelectric element, thermoelectric generator and cooler having same element, and manufacturing method of thermoelectric element
WO2011135970A1 (en) * 2010-04-28 2011-11-03 ダイハツ工業株式会社 Power generation system
JP2012204452A (en) * 2011-03-24 2012-10-22 Komatsu Ltd BiTe-BASED POLYCRYSTALLINE THERMOELECTRIC MATERIAL AND THERMOELECTRIC MODULE USING THE SAME
US8604571B2 (en) 2008-06-12 2013-12-10 Tohoku University Thermoelectric conversion device
US9647193B2 (en) 2011-10-28 2017-05-09 Tohoku Technoarch Co., Ltd. Thermoelectric conversion element and thermoelectric conversion device
JP2018516457A (en) * 2015-04-14 2018-06-21 エルジー エレクトロニクス インコーポレイティド Thermoelectric material, thermoelectric element and thermoelectric module including the same

Cited By (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009016831A (en) * 2007-06-29 2009-01-22 Gerhard Span Thermoelectric element, thermoelectric generator and cooler having same element, and manufacturing method of thermoelectric element
US8373057B2 (en) 2007-06-29 2013-02-12 Gerhard Span Thermoelectric element
US8766083B2 (en) 2007-06-29 2014-07-01 Gerhard Span Thermoelectric element
US8604571B2 (en) 2008-06-12 2013-12-10 Tohoku University Thermoelectric conversion device
WO2011135970A1 (en) * 2010-04-28 2011-11-03 ダイハツ工業株式会社 Power generation system
CN102792579A (en) * 2010-04-28 2012-11-21 大发工业株式会社 Power generation system
US9190597B2 (en) 2010-04-28 2015-11-17 Daihatsu Motor Co., Ltd. Power-generating system
JP2012204452A (en) * 2011-03-24 2012-10-22 Komatsu Ltd BiTe-BASED POLYCRYSTALLINE THERMOELECTRIC MATERIAL AND THERMOELECTRIC MODULE USING THE SAME
US9647193B2 (en) 2011-10-28 2017-05-09 Tohoku Technoarch Co., Ltd. Thermoelectric conversion element and thermoelectric conversion device
JP2018516457A (en) * 2015-04-14 2018-06-21 エルジー エレクトロニクス インコーポレイティド Thermoelectric material, thermoelectric element and thermoelectric module including the same
US10600947B2 (en) 2015-04-14 2020-03-24 Lg Electronics Inc. Thermoelectric materials, and thermoelectric element and thermoelectric module comprising the same

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