JP2010182940A - 熱電変換素子及びそれを用いた熱電変換モジュール - Google Patents
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Abstract
【解決手段】Bi、Sb、Te及びSeの内の2つ以上の元素を含む合金からなる熱電変換材料1からなる熱電変換素子10において、前記熱電変換材料1の表面に、異種元素の拡散を防止する拡散防止層2として、Coからなる金属層を形成し、前記拡散防止層2上に、前記拡散防止層2と電極を半田あるいは銀ペーストにより接合するための接合層3として、Ni、Cu、Ag、Au、Pt、Al、Ti及びCrの内の1つ以上の元素を含む金属層または合金層を形成する。
この熱電変換素子10を、半田あるいは銀ペーストにより電極と接合して、熱電変換モジュールを作製する。
【選択図】図1
Description
特許文献2に記載されたイオンプレーティング法にて形成されたMoを含む拡散防止層は、優れたバリア効果を示しているが、これはAr雰囲気中での結果である。実使用においては大気中での評価が必要であるが、後述の実施例中の比較例2と4に示すように、Mo膜は、大気中では拡散防止層としては適さない。
特許文献3の熱電変換素子は、熱電変換素子と拡散防止層の間に3価若しくは4価元素との合金層を設ける必要がある上、拡散防止層の上に形成されるNi層、半田濡れ性向上層の形成の全体のプロセスを真空成膜法で行うため、特許文献2の熱電変換素子と同様にプロセスコストがかかり、工業的ではない。
本発明者等は、このような条件を満たす拡散防止層について鋭意検討した結果、特定の金属元素を含む金属層が、拡散防止層として上記条件を満たすものであること、しかも該金属層は工業的に安価に形成し得るものであり、該金属層を拡散防止層として有する熱電変換素子は、上記の本発明の目的を達成するものであることを見出した。
また、本発明の熱電変換モジュールは、本発明の熱電変換素子を用いているため、優れた耐久性を有する。
図1は、本発明の熱電変換素子の一実施形態の断面図である。図1に示すように、本実施形態の熱電変換素子10は、熱電変換材料1と、該熱電変換材料1の両面に形成された、異種元素の拡散を防止する拡散防止層2と、該拡散防止層2上のそれぞれに形成された、該拡散防止層と電極を半田あるいは銀ペーストにより接合するための接合層3とから構成されている。
この拡散防止層2は、接合層3に含まれる元素が、熱電変換材料1に拡散するのを防止することにより、熱電変換素子の熱電性能の低下を抑制する。さらに、この拡散防止層2は、拡散防止層2自体に含まれる元素が、熱電変換材料1に拡散したり、熱電変換材料1の元素が拡散防止層2に拡散したりすることがなく、且つ、熱電変換材料1と拡散防止層2との界面の接着強度が使用雰囲気下で低下することがない。
接合層3は、熱電変換素子10の拡散防止層2と電極を接合する方法としての半田あるいは銀ペーストとの接合性を高めるために設けられる。接合層3は、電極を半田により接合する場合は、Ni膜からなる層であることが特に好ましく、電極を銀ペーストにより接合する場合は、Ag膜からなる層、Au膜からなる層であることが特に好ましい。
図2は、図1に示す本発明の熱電変換素子10を適用した本発明の熱電変換モジュールの一実施形態の断面図である。
図2に示すように、本実施形態の熱電変換モジュールは、本発明のp型とn型の熱電変換素子10と、電極4と、該熱電変換素子10と該電極4とを接合する半田あるいは銀ペーストから形成された接着層11とから構成され、p型とn型の熱電変換素子10が、電気的に直列に接続されるように電極4と接合されている。
また、電極4を半田により接合する場合の接合方法としては、本発明の熱電変換材料の耐熱温度が300℃であるため、融点が300℃以下のSn−Ag−CuやSn−Cu−Biのクリーム半田をディスペンス法、スクリーン印刷法等で塗布し、300℃以下で融点以上に加熱して接合することができる。
銀ペーストは、主に銀粒子と揮発性溶媒とから構成されたものであり、市販品を用いることもできる。
銀粒子としては、その平均粒子径が0.001〜50μmのものが好ましく、また炭素含有量が2質量%以下のものが好ましい。
また、前記揮発性溶媒としては、水、炭素原子数2〜10の揮発性一価アルコール等のの揮発性アルコール、低級n−パラフィン、低級イソパラフィン等の揮発性脂肪族炭化水素、トルエン等の揮発性芳香族炭化水素、揮発性ケトン、揮発性酢酸エステル、揮発性脂肪族カルボン酸エステル、揮発性エーテル、低分子量の揮発性シリコーン、揮発性有機変成シリコーンオイル等が挙げられる。
揮発性溶媒の配合量は、銀粒子をペースト状にし得る量であればよく、通常、銀粒子100質量部に対し5〜20質量部程度である。
電極4を銀ペーストにより接合する場合、その接合方法としては、ディスペンス法、スクリーン印刷法等で塗布し、100〜300℃に加熱して接合することができる。
粉末焼結法によりBi−Te系の熱電変換材料を製造した。n型は、Bi2 Te3 、p型は、Bi0.15Sb1.85Te3 とした。p型及びn型の熱電変換材料の形状は、12mm×12mm×3mm高さに加工した。p型及びn型の熱電変換材料のそれぞれの12mm×12mmの両面に拡散防止層として、電解めっき法で厚さ6μmのCo膜を形成した。このCo膜をX線マイクロアナライザー(EPMA)で分析した結果では、Co以外の不純物は確認されず、ほぼ100%Coと判断した。次いで、このCo膜上に、接合層として、電解めっき法で厚さ3μmのAg膜を形成し、熱電変換素子を作製した。
実施例1において、拡散防止層として、Co膜の代わりに、電解めっき法で厚さ6μmのNi膜を形成した以外は、実施例1と同様にして、熱電変換素子を作製した。
実施例1において、拡散防止層として、Co膜の代わりに、スパッタ法で厚さ1μmのMo膜を形成し、次いで、接合層として、スパッタ法で厚さ0.2μmのAg膜を形成し、熱電変換素子を作製した。
実施例1の熱電変換素子をp型及びn型各18個を用意し、3μmのAgめっきを施したCu電極でp型熱電変換素子とn型熱電変換素子とを交互に図2に示すように電気的に直列に接合し、熱電変換モジュールを作製した。熱電変換素子と電極との接合は、市販の銀ペースト(ドーデント:日本はんだ社製)を用いた。
実施例2において、実施例1の熱電変換素子の代わりに、比較例1の熱電変換素子を用いた以外は、実施例2と同様にして、熱電変換モジュールを作製した。
実施例2において、実施例1の熱電変換素子の代わりに、比較例2の熱電変換素子を用いた以外は、実施例2と同様にして、熱電変換モジュールを作製した。
2 拡散防止層
3 接合層
4 電極
10 熱電変換素子
11 半田あるいは銀ペーストから形成された接着層
Claims (6)
- Bi、Sb、Te及びSeの内の2つ以上の元素を含む合金からなる熱電変換材料の表面に、異種元素の拡散を防止する拡散防止層として、Coからなる金属層が形成されており、前記拡散防止層上に、前記拡散防止層と電極を半田あるいは銀ペーストにより接合するための接合層として、Ni、Cu、Ag、Au、Pt、Al、Ti及びCrの内の1つ以上の元素を含む金属層または合金層が形成されていることを特徴とする熱電変換素子。
- 前記拡散防止層が、めっき法により形成され、その厚さが3〜15μmであることを特徴する請求項1記載の熱電変換素子。
- 前記拡散防止層が、イオンプレーティング法またはスパッタ法により形成され、その厚さが0.2〜2μmであることを特徴する請求項1記載の熱電変換素子。
- 前記接合層が、めっき法により形成され、その厚さが1〜15μmであることを特徴する請求項1記載の熱電変換素子。
- 前記接合層が、イオンプレーティング法またはスパッタ法により形成され、その厚さが0.1〜1μmであることを特徴する請求項1記載の熱電変換素子。
- 請求項1〜5のいずれか1項記載の熱電変換素子と電極とを半田あるいは銀ペーストにより接合してなることを特徴とする熱電変換モジュール。
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