JP2017162911A - Method of manufacturing thermoelectric conversion element and thermoelectric conversion element - Google Patents

Method of manufacturing thermoelectric conversion element and thermoelectric conversion element Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for manufacturing a thermoelectric conversion element and a thermoelectric conversion element capable of reducing an internal resistance in a direction perpendicular to a plane.SOLUTION: The method of manufacturing a thermoelectric conversion element having a thermoelectric conversion capability on the basis of a temperature difference in a direction perpendicular to a plane includes a bonding step of bonding a first electrode layer and a second electrode layer with a solution containing a conductive polymer having thermoelectric conversion performance. In the bonding step, a thermoelectric conversion layer is molded by bringing the first electrode layer and the second electrode layer, which are solid phases, into contact with the solution that is a liquid phase.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、熱電変換素子の製造方法及び熱電変換素子に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a thermoelectric conversion element and a thermoelectric conversion element.

近年、環境問題の高まりに応じて、エネルギーハーベスティングが注目されている。エネルギーハーベスティングとは、周りの環境から微小なエネルギーを収穫して、電力に変換することである。このエネルギーハーベスティングにおいて電力に変換されるエネルギーのうち、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する発電である熱電発電は、寿命が長い、環境への負荷が少ない、可動部がない、メンテナンスフリーである等の特徴を有することから着目されている。   In recent years, energy harvesting has attracted attention in response to growing environmental problems. Energy harvesting means harvesting minute energy from the surrounding environment and converting it into electricity. Of the energy converted into electric power in this energy harvesting, thermoelectric power generation, which is power generation that converts thermal energy into electrical energy, has a long life, less environmental load, no moving parts, maintenance-free, etc. It has attracted attention because of its features.

非特許文献1には、基板上に、熱電変換性能を有する導電性材料からなる導電膜が積層され、該導電膜上に、金属膜が積層された熱電変換素子が記載されている。また、非特許文献2には、基板上にAg電極を形成し、当該Ag電極上に熱電変換性能を有する導電性材料で製膜した、熱電変換素子が記載されている。   Non-Patent Document 1 describes a thermoelectric conversion element in which a conductive film made of a conductive material having thermoelectric conversion performance is stacked on a substrate, and a metal film is stacked on the conductive film. Non-Patent Document 2 describes a thermoelectric conversion element in which an Ag electrode is formed on a substrate and a film is formed on the Ag electrode with a conductive material having thermoelectric conversion performance.

国際公開第2009/029393号International Publication No. 2009/029393

Qinggshuo Wei, et al., “Thermoelectric power enhancement of PEDOT:PSS in high−humidity conditions”,Applied Physics Express 7, 031601(2014)Qingshuo Wei, et al. , “Thermoelectric power enhancement of PEDOT: PSS in high-humidity conditions”, Applied Physics Express 7, 031601 (2014) Y.Suzuki, et al., “Fabrication and Characterization of Flexible Thermoelectric Devices toward Energy Harvesting”、山口東京理科大学第14回液晶研究所・第11回先進材料研究所合同シンポジウム、2014年3月10日、予稿集33頁Y. Suzuki, et al. , “Fabrication and Characterization of Flexible Thermoelectric Devices Town Energy Harvesting”, Yamaguchi Tokyo University of Science, 11th Advanced Materials Research Institute Joint Symposium, March 10, 2014, Proceedings 33

非特許文献1及び非特許文献2に記載の熱電変換素子は、熱流の方向が基板に対して面内方向である面内熱電変換素子である。一方、熱電変換素子の出力向上の観点からは、熱流の方向が基板に対して面直方向(垂直方向)の面直熱電変換素子が期待されている。特許文献1の図2には、面直熱電変換素子が記載されている。   The thermoelectric conversion elements described in Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2 are in-plane thermoelectric conversion elements in which the direction of heat flow is the in-plane direction with respect to the substrate. On the other hand, from the viewpoint of improving the output of the thermoelectric conversion element, a surface direct thermoelectric conversion element having a heat flow direction perpendicular to the substrate (perpendicular direction) is expected. In FIG. 2 of Patent Document 1, a surface direct thermoelectric conversion element is described.

面直熱電変換素子について、非特許文献1に記載のように、熱電変換性能を有する導電性材料からなる導電膜と電極とを接合させた、面直熱電変換素子を検討した。しかしながら、当該熱電変換素子は内部抵抗が高いという問題があった。   Regarding the surface direct thermoelectric conversion element, as described in Non-Patent Document 1, a surface direct thermoelectric conversion element in which a conductive film made of a conductive material having thermoelectric conversion performance and an electrode are joined was examined. However, the thermoelectric conversion element has a problem of high internal resistance.

そこで、本発明は、面直方向の内部抵抗を低減することが可能な熱電変換素子の製造方法及び熱電変換素子を提供することを目的とする。   Then, an object of this invention is to provide the manufacturing method and thermoelectric conversion element of a thermoelectric conversion element which can reduce internal resistance of a surface normal direction.

上記課題について、本発明者らは鋭意検討を行った。その結果、従来の熱電変換素子の製造方法のように、熱電変換層を固相である導電膜の状態で電極と接合させると、導電膜と電極との界面接触抵抗が高いことにより、面直熱電変換素子の内部抵抗が高くなることを見出した。その結果を踏まえ、熱電変換能を有する導電性高分子を含有する溶液で電極層を接合する際に、該溶液を液相状態に保って固相の電極層と接触させることによって、熱電変換層と電極との界面接触抵抗を低減でき、面直方向の内部抵抗を低減できることを見出した。   With regard to the above problems, the present inventors have intensively studied. As a result, when the thermoelectric conversion layer is bonded to the electrode in the state of a conductive film that is a solid phase as in the conventional method of manufacturing a thermoelectric conversion element, the interfacial contact resistance between the conductive film and the electrode is high. It has been found that the internal resistance of the thermoelectric conversion element is increased. Based on the result, when joining the electrode layer with a solution containing a conductive polymer having thermoelectric conversion ability, the thermoelectric conversion layer is maintained by keeping the solution in a liquid state and contacting with the solid phase electrode layer. It was found that the interface contact resistance between the electrode and the electrode can be reduced, and the internal resistance in the direction perpendicular to the surface can be reduced.

本発明は、以下の(1)〜(15)の熱電変換素子の製造方法及び熱電変換素子を提供する。
(1)第1電極層と、第2電極層とを、熱電変換性能を有する導電性高分子を含有する溶液を用いて接合する接合工程を備え、接合工程において、固相である第1電極層及び第2電極層と、液相である溶液とを接触させて、熱電変換層を形成する、面直方向の温度差に基づく熱電変換能を有する熱電変換素子の製造方法。
(2)接合工程において、第1電極層及び第2電極層の少なくとも一方を載置する、(1)記載の熱電変換素子の製造方法。
(3)接合工程において、溶液の液相状態を保持する、(1)又は(2)記載の熱電変換素子の製造方法。
(4)溶液が、導電性高分子をコア部に有する粒子を含有する分散液である、(3)記載の熱電変換素子の製造方法。
(5)溶液の液相保持時間が1分〜2時間である、(3)又は(4)記載の熱電変換素子の製造方法。
(6)接合工程において、溶液の液相状態の保持後に液相の溶液を乾燥させる、(3)〜(5)のいずれか記載の熱電変換素子の製造方法。
(7)乾燥の温度が40〜150℃、乾燥時間が2〜15時間である、(6)記載の熱電変換素子の製造方法。
(8)第1基板上に第1電極層を積層する工程、及び/又は、第2電極層上に第2基板を積層する工程、を備える、(1)〜(7)のいずれか記載の熱電変換素子の製造方法。
(9)熱電変換素子であって、第1電極層と、熱電変換性能を有する導電性高分子を含有する熱電変換層と、第2電極層とがこの順に積層されており、第1電極層と熱電変換層との間の第1界面における単位面積あたりの界面接触抵抗が、0.013Ω/mm未満であり、第2電極層と熱電変換層との間の第2界面における単位面積あたりの界面接触抵抗が、0.013Ω/mm未満である、面直方向の温度差に基づく熱電変換能を有する熱電変換素子。
(10)熱電変換性能を有する導電性高分子が、導電性凝集体を構成する有機導電性高分子と、ドーパントとを含む導電性高分子である、(9)記載の熱電変換素子。
(11)第1電極層及び第2電極層の双方が、同一の導電性凝集体に接している、(10)記載の熱電変換素子。
(12)熱電変換層の厚さが、0.1μm〜100μmである、(9)〜(11)のいずれか記載の熱電変換素子。
(13)第1電極層が第1基板上に積層されており、及び/又は、第2電極層上に第2基板が積層されている、(9)〜(12)のいずれか記載の熱電変換素子。
(14)(9)〜(13)のいずれか記載の熱電変換素子を搭載した、ウェアラブル端末。
(15)第1電極層と、第2電極層とを、熱電変換能を有する導電性高分子を含有する溶液を用いて接合する接合工程を備え、接合工程において、固相である第1電極層及び第2電極層と、液相である溶液とを接触させて、熱電変換層を形成することで、熱電変換層との間の第1界面における界面接触抵抗と、第2電極層と熱電変換層との間の第2界面における界面接触抵抗とを低減させる、面直方向の温度差に基づく熱電変換能を有する熱電変換素子の内部抵抗低減方法。
The present invention provides the following methods (1) to (15) for producing a thermoelectric conversion element and thermoelectric conversion elements.
(1) A bonding step of bonding the first electrode layer and the second electrode layer using a solution containing a conductive polymer having thermoelectric conversion performance, wherein the first electrode that is a solid phase in the bonding step The manufacturing method of the thermoelectric conversion element which has the thermoelectric conversion capability based on the temperature difference of a perpendicular direction which makes a layer and a 2nd electrode layer and the solution which is a liquid phase contact, and forms a thermoelectric conversion layer.
(2) The method for manufacturing a thermoelectric conversion element according to (1), wherein in the joining step, at least one of the first electrode layer and the second electrode layer is placed.
(3) The method for producing a thermoelectric conversion element according to (1) or (2), wherein the liquid phase state of the solution is maintained in the joining step.
(4) The method for producing a thermoelectric conversion element according to (3), wherein the solution is a dispersion containing particles having a conductive polymer in the core.
(5) The method for producing a thermoelectric conversion element according to (3) or (4), wherein the liquid phase retention time of the solution is 1 minute to 2 hours.
(6) The method for manufacturing a thermoelectric conversion element according to any one of (3) to (5), wherein in the bonding step, the liquid phase solution is dried after the liquid phase state of the solution is maintained.
(7) The method for producing a thermoelectric conversion element according to (6), wherein the drying temperature is 40 to 150 ° C. and the drying time is 2 to 15 hours.
(8) The step of laminating the first electrode layer on the first substrate and / or the step of laminating the second substrate on the second electrode layer, the method according to any one of (1) to (7) A method for manufacturing a thermoelectric conversion element.
(9) A thermoelectric conversion element, in which a first electrode layer, a thermoelectric conversion layer containing a conductive polymer having thermoelectric conversion performance, and a second electrode layer are laminated in this order, and the first electrode layer Contact resistance per unit area at the first interface between the first electrode and the thermoelectric conversion layer is less than 0.013 Ω / mm 2 , and per unit area at the second interface between the second electrode layer and the thermoelectric conversion layer. The interfacial contact resistance is less than 0.013 Ω / mm 2 and has a thermoelectric conversion capability based on a temperature difference in the direction perpendicular to the surface.
(10) The thermoelectric conversion element according to (9), wherein the conductive polymer having thermoelectric conversion performance is a conductive polymer containing an organic conductive polymer constituting a conductive aggregate and a dopant.
(11) The thermoelectric conversion element according to (10), wherein both the first electrode layer and the second electrode layer are in contact with the same conductive aggregate.
(12) The thermoelectric conversion element according to any one of (9) to (11), wherein the thermoelectric conversion layer has a thickness of 0.1 μm to 100 μm.
(13) The thermoelectric device according to any one of (9) to (12), wherein the first electrode layer is stacked on the first substrate and / or the second substrate is stacked on the second electrode layer. Conversion element.
(14) A wearable terminal equipped with the thermoelectric conversion element according to any one of (9) to (13).
(15) A bonding step of bonding the first electrode layer and the second electrode layer using a solution containing a conductive polymer having thermoelectric conversion ability, wherein the first electrode which is a solid phase in the bonding step The layer and the second electrode layer are brought into contact with the liquid phase solution to form a thermoelectric conversion layer, whereby the interface contact resistance at the first interface between the thermoelectric conversion layer, the second electrode layer, and the thermoelectric A method for reducing the internal resistance of a thermoelectric conversion element having a thermoelectric conversion capability based on a temperature difference in a direction perpendicular to the surface, which reduces an interface contact resistance at a second interface with the conversion layer.

本発明によれば、面直方向の内部抵抗を低減することが可能な熱電変換素子の製造方法及び熱電変換素子を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the manufacturing method and thermoelectric conversion element of a thermoelectric conversion element which can reduce internal resistance of a perpendicular direction can be provided.

液相固相接合を説明する模式図であり(a)は同熱電変換素子の熱電変換層成形に用いられる溶液が液相状態である状態を示す模式図、(b)は液相固相接合により電極層と導電性凝集体とが接触した状態を示す模式図である。It is a schematic diagram explaining a liquid phase solid phase joining, (a) is a schematic diagram which shows the state in which the solution used for thermoelectric conversion layer shaping | molding of the thermoelectric conversion element is a liquid phase state, (b) is a liquid phase solid phase joining. It is a schematic diagram which shows the state which the electrode layer and the conductive aggregate contacted by. 本実施形態の熱電変換素子の構成を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structure of the thermoelectric conversion element of this embodiment. 本実施形態に係る熱電変換素子の製造工程を示す工程図である。It is process drawing which shows the manufacturing process of the thermoelectric conversion element which concerns on this embodiment. 実施例1の熱電変換素子のヒートサイクル特性を示すグラフである。2 is a graph showing heat cycle characteristics of the thermoelectric conversion element of Example 1. FIG. 比較例1の熱電変換素子のヒートサイクル特性を示すグラフである。5 is a graph showing heat cycle characteristics of the thermoelectric conversion element of Comparative Example 1. 熱電変換素子を評価する測定システムの構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the measurement system which evaluates a thermoelectric conversion element. 実施例1及び比較例1の熱電変換素子を用いた熱電変換モジュールの出力特性を示すグラフである。It is a graph which shows the output characteristic of the thermoelectric conversion module using the thermoelectric conversion element of Example 1 and Comparative Example 1. 実施例1の熱電変換素子を用いた熱電変換モジュールのヒートサイクル特性を示すグラフである。3 is a graph showing heat cycle characteristics of a thermoelectric conversion module using the thermoelectric conversion element of Example 1. FIG. 実施例1の熱電変換素子を用いた熱電変換モジュールのヒートサイクル特性を示すグラフである。3 is a graph showing heat cycle characteristics of a thermoelectric conversion module using the thermoelectric conversion element of Example 1. FIG. 実施例1の熱電変換素子を用いた熱電変換モジュールのヒートサイクル特性を示すグラフである。3 is a graph showing heat cycle characteristics of a thermoelectric conversion module using the thermoelectric conversion element of Example 1. FIG. (a)は実施例1の熱電変換素子を原子間力顕微鏡により観察した結果を示す顕微鏡写真、(b)は比較例1の熱電変換素子を原子間力顕微鏡により観察した結果を示す顕微鏡写真である。(A) is the microscope picture which shows the result of having observed the thermoelectric conversion element of Example 1 with the atomic force microscope, (b) is the microscope picture which shows the result of having observed the thermoelectric conversion element of the comparative example 1 with the atomic force microscope. is there. (a)は実施例1の熱電変換素子を電気力顕微鏡により観察した結果を示す顕微鏡写真、(b)は比較例1の熱電変換素子を電気力顕微鏡により観察した結果を示す顕微鏡写真である。(A) is a microscope picture which shows the result of having observed the thermoelectric conversion element of Example 1 with the electric force microscope, (b) is a microscope picture which shows the result of having observed the thermoelectric conversion element of the comparative example 1 with the electric force microscope. 比較例1の熱電変換素子の製造工程を示す工程図である。10 is a process diagram illustrating a manufacturing process of the thermoelectric conversion element of Comparative Example 1. FIG. 固相接合を説明する模式図であり、(a)は熱電変換層を成形する溶液が液相である状態を示す模式図、(b)は溶液が固相の熱電変換層となった状態を示す模式図、(c)は固相の熱電変換層に電極層が積層された状態を示す模式図である。It is a schematic diagram explaining a solid phase joining, (a) is a schematic diagram which shows the state in which the solution which shape | molds a thermoelectric conversion layer is a liquid phase, (b) is the state where the solution became the thermoelectric conversion layer of the solid phase. (C) is a schematic diagram showing a state in which an electrode layer is laminated on a solid-state thermoelectric conversion layer.

以下、本発明の実施形態について詳細に説明するが、本発明は以下の実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の目的の範囲内において、適宜変更を加えて実施することができる。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail. However, the present invention is not limited to the following embodiments, and can be implemented with appropriate modifications within the scope of the object of the present invention.

(熱電変換素子の製造方法)
本実施形態の熱電変換素子の製造方法は、第1電極層と、第2電極層とを、熱電変換性能を有する導電性高分子を含有する溶液で接合する接合工程を備え、接合工程において、固相である第1電極層及び第2電極層と、液相状態である溶液とを接触させて、熱電変換層を成形する、製造方法である。
(Method for manufacturing thermoelectric conversion element)
The manufacturing method of the thermoelectric conversion element of the present embodiment includes a bonding step of bonding the first electrode layer and the second electrode layer with a solution containing a conductive polymer having thermoelectric conversion performance. In the bonding step, This is a manufacturing method in which a thermoelectric conversion layer is formed by bringing a first electrode layer and a second electrode layer that are solid phases into contact with a solution that is in a liquid phase state.

本製造方法における技術的特徴の一つは、熱電変換性能を有する導電性高分子を含有する溶液を液相状態で、固相である第1電極層及び第2電極層と接触させる、「液相固相接合」を行う点にある。熱電変換性能を有する導電性高分子を含有する溶液を液相状態で、固相の電極層と液相固相接合させると、溶液中の導電性高分子の分散・凝集の状態が、導電性の良好な状態となる傾向にある。このように、液相固相接合を行うことによって、熱電変換層と電極との界面接触抵抗を低減することができ、面直方向の内部抵抗の低い熱電変換素子を成形できる。   One of the technical features of this production method is that a solution containing a conductive polymer having thermoelectric conversion performance is brought into contact with the first electrode layer and the second electrode layer that are solid phases in a liquid phase state. The point is that "phase solid phase bonding" is performed. When a solution containing a conductive polymer with thermoelectric conversion performance is in a liquid phase state and bonded to a solid phase electrode layer in a liquid phase solid phase, the state of dispersion and aggregation of the conductive polymer in the solution becomes conductive. It tends to be in a good state. Thus, by performing liquid phase solid phase bonding, the interface contact resistance between the thermoelectric conversion layer and the electrode can be reduced, and a thermoelectric conversion element having a low internal resistance in the perpendicular direction can be formed.

本実施形態の熱電変換素子の製造方法と、従来の熱電変換素子の製造方法との違いについて、PEDOT−PSSを導電性高分子として用いた場合を一つの例として、以下に説明する。従来の熱電変換素子の製造方法では、熱電変換性能を有する導電性高分子を含有する溶液を塗布し、乾燥させて導電膜を形成し、当該導電膜と電極とを接合させている。ここで、図14に示すように、電極と接合する前に形成された固相状態の導電性膜は、有機導電性高分子のPEDOTで形成される導電性凝集体が、ドーパントであるPSSによって形成される絶縁部位によって覆われた形状を形成し、固相化していると考えられる。このため、当該導電膜と電極とを接合させても、導電性凝集体(PEDOT凝集部分)と電極との間に絶縁部位(PSS凝集部分)が介在してしまい、熱電変換層(導電膜)と電極との界面接触抵抗が高くなると、本発明者は推察している。   The difference between the method for manufacturing the thermoelectric conversion element of the present embodiment and the method for manufacturing the conventional thermoelectric conversion element will be described below using a case where PEDOT-PSS is used as the conductive polymer as an example. In a conventional method for producing a thermoelectric conversion element, a solution containing a conductive polymer having thermoelectric conversion performance is applied and dried to form a conductive film, and the conductive film and the electrode are bonded. Here, as shown in FIG. 14, the conductive film in the solid state formed before joining to the electrode is composed of a conductive aggregate formed of organic conductive polymer PEDOT by PSS as a dopant. It is considered that a shape covered with the formed insulating portion is formed and solidified. For this reason, even if the said electrically conductive film and an electrode are joined, an insulation site | part (PSS aggregation part) will intervene between a conductive aggregate (PEDOT aggregation part) and an electrode, and a thermoelectric conversion layer (conductive film) The present inventor has inferred that the interface contact resistance between the electrode and the electrode increases.

一方、図1に示すように、本製造方法では、導電性高分子を含有する溶液を液相状態で、固相である電極層と接触させる。図1(a)のとおり、溶液中においては、導電性凝集体を構成する有機導電性高分子3a(例えばPEDOT)と、ドーパント3b(例えばPSS)とが、分散状態にあり、その後、有機導電性高分子3aとドーパント3bがそれぞれ凝集し、有機導電性高分子3aから構成される導電性凝集体(コア部)、ドーパント3bが導電性凝集体(コア部)を覆う絶縁部位(シェル部)を形成し、コアシェル型構造(カップリング構造)のミセル(粒子)を形成すると考えられる。このように、導電性高分子を含有する当該溶液は、導電性高分子をコア部に有する粒子を分散状態で含有している分散液となる。ここで、当該コアシェル型構造の導電性高分子3を含有する溶液は、液相状態であることから、ミセルは柔軟であり、電極層2、4は、PEDOTの凝集部分である導電性凝集体に接触することが可能となる。これにより、熱電変換層と電極との界面接触抵抗を低くすることができると、本発明者は推察している。
なお、図1は、溶液中の導電性高分子の分散・凝集状態の一態様を概念化した図であり、溶液中の導電性高分子の分散状態はこのような態様に限定されるものではない。また、上記説明はPEDOT−PSSを一例として述べているものであり、導電性高分子がPEDOT−PSSに限定されるものではなく、コアシェル型構造の導電性高分子を含有することに限定されるものでもない。
On the other hand, as shown in FIG. 1, in this production method, a solution containing a conductive polymer is brought into contact with an electrode layer that is a solid phase in a liquid phase state. As shown in FIG. 1A, in the solution, the organic conductive polymer 3a (for example, PEDOT) and the dopant 3b (for example, PSS) constituting the conductive aggregate are in a dispersed state, and then the organic conductive polymer is used. Conductive polymer 3a and dopant 3b are aggregated to form a conductive aggregate (core part) composed of organic conductive polymer 3a, and insulating site (shell part) where dopant 3b covers the conductive aggregate (core part) It is considered that a core-shell type structure (coupling structure) micelle (particle) is formed. Thus, the said solution containing a conductive polymer turns into a dispersion liquid which contains the particle | grains which have a conductive polymer in a core part in a dispersed state. Here, since the solution containing the conductive polymer 3 having the core-shell structure is in a liquid phase state, the micelle is flexible, and the electrode layers 2 and 4 are conductive aggregates that are aggregated portions of PEDOT. It becomes possible to touch. Thus, the inventor has inferred that the interface contact resistance between the thermoelectric conversion layer and the electrode can be lowered.
FIG. 1 is a diagram conceptualizing one embodiment of the dispersion / aggregation state of the conductive polymer in the solution, and the dispersion state of the conductive polymer in the solution is not limited to such an embodiment. . In addition, the above description describes PEDOT-PSS as an example, and the conductive polymer is not limited to PEDOT-PSS, but is limited to containing a core-shell type conductive polymer. Not a thing.

本実施形態において、液相状態とは、液相であることを意味するが、(1)溶液の一部が軟化した状態、(2)溶液の一部が半固体化した状態、(3)ゲル状態であってもよい。
さらに、予備乾燥などにより溶媒の一部が揮発した状態であってもよい。本発明においては、熱電変換層となる導電性高分子中に溶媒もしくは分散媒を含んだ状態であることを液相状態とする。
In this embodiment, the liquid phase state means a liquid phase, but (1) a part of the solution is softened, (2) a part of the solution is semi-solid, (3) It may be in a gel state.
Furthermore, a state where a part of the solvent is volatilized by preliminary drying or the like may be used. In the present invention, a liquid phase state is a state in which a solvent or a dispersion medium is contained in a conductive polymer serving as a thermoelectric conversion layer.

接合工程において、第1電極層及び前記第2電極層の少なくとも一方を載置することが好ましい。導電性高分子を含有する溶液は液相状態であることから、例えば(1)電極層を油圧や空気圧でプレスする、(2)真空ラミネーターを使用する、(3)電極層を設置した基板の自重により貼り合わせるなどの公知の方法によって、第1電極層、ならびに第2電極とPEDOTの凝集部分である導電性凝集体とを、より確実に接触させることができる。なお、載置方法としては、(1)プレス圧による基板の変形や、(2)真空下での溶媒もしくは分散媒の急激な乾燥による熱電変換素子内のボイドを抑制するために、電極層を設置した基板の自重により貼り合わせる方法が好ましい。なお、熱電変換素子として機能するように成形できるのであれば、載置方法については前記方法に制限されない。   In the bonding step, it is preferable to place at least one of the first electrode layer and the second electrode layer. Since the solution containing the conductive polymer is in a liquid phase state, for example, (1) the electrode layer is pressed hydraulically or pneumatically, (2) a vacuum laminator is used, and (3) the substrate on which the electrode layer is installed. The first electrode layer, the second electrode, and the conductive aggregate that is the aggregated portion of PEDOT can be more reliably brought into contact with each other by a known method such as bonding by its own weight. In order to suppress voids in the thermoelectric conversion element due to (1) deformation of the substrate due to press pressure and (2) rapid drying of the solvent or dispersion medium under vacuum, the mounting method is as follows. A method of bonding by the weight of the installed substrate is preferable. In addition, as long as it can shape | mold so that it may function as a thermoelectric conversion element, about the mounting method, it is not restrict | limited to the said method.

接合工程において、溶液の液相状態を保持することが好ましい。溶液の液相状態を保持することにより、溶液中の導電性高分子の分散状態がより良好となる傾向にある。これにより、熱電変換層の導電性が向上する傾向にある。特に、導電性高分子が例えばPEDOT−PSSのようなコアシェル構造(カップリング構造)を形成する導電性高分子である場合には、導電性の高い導電性凝集体が溶液中に形成され、当該導電性凝集体と電極層とが接続することにより、界面接触抵抗が低減する傾向にある。   In the joining step, it is preferable to maintain the liquid phase state of the solution. By maintaining the liquid phase state of the solution, the dispersion state of the conductive polymer in the solution tends to be better. Thereby, it exists in the tendency for the electroconductivity of a thermoelectric conversion layer to improve. In particular, when the conductive polymer is a conductive polymer that forms a core-shell structure (coupling structure) such as PEDOT-PSS, a highly conductive conductive aggregate is formed in the solution. When the conductive aggregate and the electrode layer are connected, the interface contact resistance tends to be reduced.

溶液の液相状態の保持時間は、1分〜2時間であることが好ましい。液相状態の保持時間が1分〜2時間であることによって、溶液中の導電性高分子の分散状態がより良好となる傾向にある。より好ましくは、1分〜1時間であり、さらに好ましくは、1分〜0.5時間である。   The liquid phase state holding time of the solution is preferably 1 minute to 2 hours. When the retention time in the liquid phase state is 1 minute to 2 hours, the dispersion state of the conductive polymer in the solution tends to be better. More preferably, it is 1 minute-1 hour, More preferably, it is 1 minute-0.5 hour.

接合工程においては、溶液の液相状態の保持後に、液相状態の溶液を乾燥させることが好ましい。これにより、溶液中の導電性部分と電極層とが確実に接続した状態で熱電変換層を形成できる傾向にある。   In the joining step, it is preferable to dry the solution in the liquid phase state after maintaining the liquid phase state of the solution. Thereby, it exists in the tendency which can form a thermoelectric conversion layer in the state which the electroconductive part and electrode layer in a solution connected reliably.

乾燥の温度は、40〜150℃であることが好ましい。また、乾燥時間は、2〜15時間であることが好ましい。なお、乾燥の温度や乾燥時間は、成形する熱電変換素子の大きさ等によっても異なるため、上記範囲外でもよい場合がある。   The drying temperature is preferably 40 to 150 ° C. The drying time is preferably 2 to 15 hours. In addition, since the drying temperature and the drying time vary depending on the size of the thermoelectric conversion element to be molded, the drying temperature and the drying time may be outside the above ranges.

本実施形態においては、第1基板上に第1電極層を積層する工程、及び/又は、第2電極層上に第2基板を積層する工程を備えることが好ましい。基板を積層することにより、熱電変換層、電極層を保護することが可能となる。なお、あらかじめ第1電極層と第1基板とを積層させてから、液相固相接合させてもよい。第2電極層と第2基板との接続についても同様である。   In the present embodiment, it is preferable to include a step of laminating the first electrode layer on the first substrate and / or a step of laminating the second substrate on the second electrode layer. By laminating the substrates, the thermoelectric conversion layer and the electrode layer can be protected. In addition, after laminating | stacking a 1st electrode layer and a 1st board | substrate previously, you may carry out liquid phase solid-phase joining. The same applies to the connection between the second electrode layer and the second substrate.

(溶液)
本実施形態の製造方法に用いられる溶液としては、水、有機溶媒、又はこれらの混合溶媒などの溶媒と、熱電変換能を有する導電性高分子とを含むことが好ましい。溶媒について後述する。
(solution)
The solution used in the production method of the present embodiment preferably contains a solvent such as water, an organic solvent, or a mixed solvent thereof, and a conductive polymer having thermoelectric conversion ability. The solvent will be described later.

(熱電変換能を有する導電性高分子)
本実施形態において、熱電変換能を有する導電性高分子は、p型導電性高分子であってもよく、n型導電性高分子であってもよい。p型導電性高分子又はn型導電性高分子としては、π共役系導電性高分子やσ共役系導電性高分子などの導電性凝集体を構成する有機導電性高分子と、ドーパントとを組み合わせたものが挙げられる。p型導電性高分子の場合には、例えばπ共役系導電性高分子がドナー分子となり、ドーパントがアクセプタ分子となる。一方、n型導電性高分子の場合には、例えばπ共役系導電性高分子がアクセプタ分子となり、ドーパントがドナー分子となる。
(Conductive polymer with thermoelectric conversion ability)
In the present embodiment, the conductive polymer having thermoelectric conversion ability may be a p-type conductive polymer or an n-type conductive polymer. As the p-type conductive polymer or the n-type conductive polymer, an organic conductive polymer constituting a conductive aggregate such as a π-conjugated conductive polymer or a σ-conjugated conductive polymer, and a dopant are used. The combination is mentioned. In the case of a p-type conductive polymer, for example, a π-conjugated conductive polymer is a donor molecule, and a dopant is an acceptor molecule. On the other hand, in the case of an n-type conductive polymer, for example, a π-conjugated conductive polymer is an acceptor molecule, and a dopant is a donor molecule.

π共役系導電性高分子としては、π共役系で構成されている主鎖を含む有機高分子であれば特に制限されない。π共役系導電性高分子は、化合物安定性、高導電性という理由から、π共役系複素環式化合物又はπ共役系複素環式化合物の誘導体であることが好ましい。   The π-conjugated conductive polymer is not particularly limited as long as it is an organic polymer including a main chain composed of a π-conjugated system. The π-conjugated conductive polymer is preferably a π-conjugated heterocyclic compound or a derivative of a π-conjugated heterocyclic compound because of compound stability and high conductivity.

π共役系導電性高分子としては、脂肪族共役系のポリアセチレン、ポリアセン、ポリアズレン、芳香族共役系のポリフェニレン、複素環式共役系のポリピロール、ポリチオフェン、ポリイソチアナフテン、含ヘテロ原子共役系のポリアニリン、ポリチエニレンビニレン、混合型共役系のポリ(フェニレンビニレン)、分子中に複数の共役鎖を持つ共役系である複鎖型共役系、これらの導電性ポリマーの誘導体、及び、これらの共役高分子鎖を飽和高分子にグラフト又はブロック共重合した高分子である導電性複合体からなる群より選択される少なくとも一種を挙げることができる。   Examples of the π-conjugated conductive polymer include aliphatic conjugated polyacetylene, polyacene, polyazulene, aromatic conjugated polyphenylene, heterocyclic conjugated polypyrrole, polythiophene, polyisothianaphthene, and heteroatom-containing polyaniline. , Polythienylene vinylene, mixed conjugated poly (phenylene vinylene), double chain conjugated system having a plurality of conjugated chains in the molecule, derivatives of these conductive polymers, and conjugated high There may be mentioned at least one selected from the group consisting of conductive composites which are polymers obtained by grafting or block copolymerizing molecular chains with saturated polymers.

空気中での安定性の点からは、ポリピロール、ポリチオフェン及びポリアニリン又はこれらの誘導体が好ましく、ポリチオフェン、ポリアニリン、又はこれらの誘導体(すなわち、ポリチオフェン、ポリアニリン、ポリチオフェン誘導体、及びポリアニリン誘導体)がより好ましく、ポリチオフェン又はポリチオフェン誘導体が更に好ましい。
π共役系導電性高分子は無置換のままでも充分な導電性やバインダー樹脂への相溶性を得ることができるが、導電性及び/又は相溶性をより高めるためには、アルキル基、カルボキシ基、スルホ基、アルコキシ基、ヒドロキシ基等の官能基をπ共役系導電性高分子に導入することが好ましい。
From the viewpoint of stability in air, polypyrrole, polythiophene and polyaniline or derivatives thereof are preferable, polythiophene, polyaniline, or derivatives thereof (that is, polythiophene, polyaniline, polythiophene derivatives, and polyaniline derivatives) are more preferable, and polythiophene. Or a polythiophene derivative is still more preferable.
The π-conjugated conductive polymer can obtain sufficient conductivity and compatibility with the binder resin even if it is not substituted, but in order to further improve the conductivity and / or compatibility, an alkyl group, a carboxy group It is preferable to introduce a functional group such as a sulfo group, an alkoxy group, or a hydroxy group into the π-conjugated conductive polymer.

π共役系導電性高分子の具体例としては、
ホリピロール類:ポリピロール、ポリ(N−メチルピロール)、ポリ(3−メチルピロール)、ポリ(3−エチルピロール)、ポリ(3−n−プロピルピロール)、ポリ(3−ブチルピロール)、ポリ(3−オクチルピロール)、ポリ(3−デシルピロール)、ポリ(3−ドデシルピロール)、ポリ(3,4−ジメチルピロール)、ポリ(3,4−ジブチルピロール)、ポリ(3−カルボキシピロール)、ポリ(3−メチル−4−カルボキシピロール)、ポリ(3−メチル−4−カルボキシエチルピロール)、ポリ(3−メチル−4−カルボキシブチルピロール)、ポリ(3−ヒドロキシピロール)、ポリ(3−メトキシピロール)、ポリ(3−エトキシピロール)、ポリ(3−ブトキシピロール)、ポリ(3−メチル−4−ヘキシルオキシピロール)、
ポリチオフェン類:ポリ(チオフェン)、ポリ(3−メチルチオフェン)、ポリ(3−エチルチオフェン)、ポリ(3−プロピルチオフェン)、ポリ(3−ブチルチオフェン)、ポリ(3−ヘキシルチオフェン)、ポリ(3−ヘプチルチオフェン)、ポリ(3−オクチルチオフェン)、ポリ(3−デシルチオフェン)、ポリ(3−ドデシルチオフェン)、ポリ(3−オクタデシルチオフェン)、ポリ(3−ブロモチオフェン)、ポリ(3−クロロチオフェン)、ポリ(3−ヨードチオフェン)、ポリ(3−シアノチオフェン)、ポリ(3−フェニルチオフェン)、ポリ(3,4−ジメチルチオフェン)、ポリ(3,4−ジブチルチオフェン)、ポリ(3−ヒドロキシチオフェン)、ポリ(3−メトキシチオフェン)、ポリ(3−エトキシチオフェン)、ポリ(3−ブトキシチオフェン)、ポリ(3−ヘキシルオキシチオフェン)、ポリ(3−ヘプチルオキシチオフェン)、ポリ(3−オクチルオキシチオフェン)、ポリ(3−デシルオキシチオフェン)、ポリ(3−ドデシルオキシチオフェン)、ポリ(3−オクタデシルオキシチオフェン)、ポリ(3−メチル−4−メトキシチオフェン)、ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)(PEDOT)、ポリ(3−メチル−4−エトキシチオフェン)、ポリ(3−カルボキシチオフェン)、ポリ(3−メチル−4−カルボキシチオフェン)、ポリ(3−メチル−4−カルボキシエチルチオフェン)、ポリ(3−メチル−4−カルボキシブチルチオフェン)、
ポリアニリン類:ポリアニリン、ポリ(2−メチルアニリン)、ポリ(3−イソブチルアニリン)、ポリ(2−アニリンスルホン酸)、ポリ(3−アニリンスルホン酸)、等が挙げられる。
As a specific example of the π-conjugated conductive polymer,
Polypyrrole: polypyrrole, poly (N-methylpyrrole), poly (3-methylpyrrole), poly (3-ethylpyrrole), poly (3-n-propylpyrrole), poly (3-butylpyrrole), poly (3 -Octylpyrrole), poly (3-decylpyrrole), poly (3-dodecylpyrrole), poly (3,4-dimethylpyrrole), poly (3,4-dibutylpyrrole), poly (3-carboxypyrrole), poly (3-methyl-4-carboxypyrrole), poly (3-methyl-4-carboxyethylpyrrole), poly (3-methyl-4-carboxybutylpyrrole), poly (3-hydroxypyrrole), poly (3-methoxy Pyrrole), poly (3-ethoxypyrrole), poly (3-butoxypyrrole), poly (3-methyl-4-hexyloxy) Roll),
Polythiophenes: poly (thiophene), poly (3-methylthiophene), poly (3-ethylthiophene), poly (3-propylthiophene), poly (3-butylthiophene), poly (3-hexylthiophene), poly ( 3-heptylthiophene), poly (3-octylthiophene), poly (3-decylthiophene), poly (3-dodecylthiophene), poly (3-octadecylthiophene), poly (3-bromothiophene), poly (3- Chlorothiophene), poly (3-iodothiophene), poly (3-cyanothiophene), poly (3-phenylthiophene), poly (3,4-dimethylthiophene), poly (3,4-dibutylthiophene), poly ( 3-hydroxythiophene), poly (3-methoxythiophene), poly (3-ethoxythio) ), Poly (3-butoxythiophene), poly (3-hexyloxythiophene), poly (3-heptyloxythiophene), poly (3-octyloxythiophene), poly (3-decyloxythiophene), poly ( 3-dodecyloxythiophene), poly (3-octadecyloxythiophene), poly (3-methyl-4-methoxythiophene), poly (3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT), poly (3-methyl-4 -Ethoxythiophene), poly (3-carboxythiophene), poly (3-methyl-4-carboxythiophene), poly (3-methyl-4-carboxyethylthiophene), poly (3-methyl-4-carboxybutylthiophene) ,
Polyanilines: Polyaniline, poly (2-methylaniline), poly (3-isobutylaniline), poly (2-aniline sulfonic acid), poly (3-aniline sulfonic acid), and the like.

σ共役系導電性高分子としては、ポリ(メチルフェニルシラン)、ポリ(メチルプロピルシラン)、ポリ(フェニル−p−ビフェニルシラン)、ポリ(ジヘキシルシラン)等が挙げられる。   Examples of the σ-conjugated conductive polymer include poly (methylphenylsilane), poly (methylpropylsilane), poly (phenyl-p-biphenylsilane), poly (dihexylsilane), and the like.

ドーパントとしては、アクセプタ分子又はドナー分子として機能するドーパントであれば特に制限されないが、アニオン基を有する高分子ドーパント(「ポリアニオンドーパント」ともいう)を用いることが好ましい。π共役系導電性高分子に、アニオン基を有する高分子ドーパントを組み合わせて用いることにより、高い導電性、導電性の経時安定性改良、積層状態での耐水性が向上するという効果が期待できる。ポリアニオンドーパントとしては、例えば、置換又は非置換のポリアルキレン、置換又は非置換のポリアルケニレン、置換又は非置換のポリイミド、置換又は非置換のポリアミド、及び置換又は非置換のポリエステルのうち少なくともいずれかの構造を有し、かつアニオン基を有する構造単位を含むポリマーが挙げられる。   The dopant is not particularly limited as long as it functions as an acceptor molecule or a donor molecule, but it is preferable to use a polymer dopant having an anion group (also referred to as “polyanion dopant”). By using a π-conjugated conductive polymer in combination with a polymer dopant having an anionic group, it is possible to expect the effects of high conductivity, improved stability over time of conductivity, and improved water resistance in a laminated state. Examples of the polyanion dopant include at least one of substituted or unsubstituted polyalkylene, substituted or unsubstituted polyalkenylene, substituted or unsubstituted polyimide, substituted or unsubstituted polyamide, and substituted or unsubstituted polyester. Examples thereof include a polymer having a structure and a structural unit having an anionic group.

ポリアニオンドーパントのアニオン基としては、−O−SO 、−SO 、−COO(各式においてXは水素イオン、アルカリ金属イオンを表す。)が挙げられる。これらの中でも、有機導電性高分子化合物へのドーピング能力の点から、−SO 、−COOが好ましい。 The anionic group of the polyanion dopant, -O-SO 3 - X + , -SO 3 - X +, -COO - X + (. X + is the hydrogen ion in each of the formulas, represents an alkali metal ion), and the like. Among these, from the viewpoint of doping ability of organic conductive polymer compound, -SO 3 - X +, -COO - X + are preferable.

上記ポリアニオンドーパントの中でも、溶媒溶解性及び導電性の点から、アルキルスルホン酸を含む共重合体、ポリイソプレンスルホン酸、ポリイソプレンスルホン酸を含む共重合体、ポリスルホエチルメタクリレート、ポリスルホエチルメタクリレートを含む共重合体、ポリ(4−スルホブチルメタクリレート)、ポリ(4−スルホブチルメタクリレート)を含む共重合体、ポリメタリルオキシベンゼンスルホン酸、ポリメタリルオキシベンゼンスルホン酸を含む共重合体、ポリスチレンスルホン酸(PSS)、ポリスチレンスルホン酸を含む共重合体等が好ましい。   Among the polyanion dopants, from the viewpoint of solvent solubility and conductivity, a copolymer containing alkylsulfonic acid, a polyisoprenesulfonic acid, a copolymer containing polyisoprenesulfonic acid, polysulfoethyl methacrylate, and polysulfoethyl methacrylate are used. Copolymer containing, poly (4-sulfobutyl methacrylate), copolymer containing poly (4-sulfobutyl methacrylate), polymethallyloxybenzenesulfonic acid, copolymer containing polymethallyloxybenzenesulfonic acid, polystyrene A sulfonic acid (PSS), a copolymer containing polystyrene sulfonic acid, and the like are preferable.

上記アルキルスルホン酸を含む共重合体におけるアルキルスルホン酸としては、構造的な観点から導電性高分子にドープされやすい直鎖状のアルキルスルホン酸が好ましい。また、ドープのされ易さから、炭素数1〜15のアルキルスルホン酸が好ましく、炭素数1〜5のアルキルスルホン酸がより好ましく、炭素数1〜3のアルキルスルホン酸が更に好ましい。上記アルキルスルホン酸の好ましい具体例としては、メタンスルホン酸、エタンスルホン酸、プロパンスルホン酸、ブタンスルホン酸、ペンタンスルホン酸が挙げられる。   The alkyl sulfonic acid in the copolymer containing the alkyl sulfonic acid is preferably a linear alkyl sulfonic acid that is easily doped into a conductive polymer from the structural viewpoint. Moreover, a C1-C15 alkylsulfonic acid is preferable from the ease of being doped, A C1-C5 alkylsulfonic acid is more preferable, A C1-C3 alkylsulfonic acid is still more preferable. Preferable specific examples of the alkylsulfonic acid include methanesulfonic acid, ethanesulfonic acid, propanesulfonic acid, butanesulfonic acid, and pentanesulfonic acid.

ドーパントとしては、ドープさせた場合の安定性の観点から、ポリスチレンスルホン酸(PSS)、ポリビニルスルホン酸(PVS)であることが好ましく、PSSが更に好ましい。   The dopant is preferably polystyrene sulfonic acid (PSS) or polyvinyl sulfonic acid (PVS), and more preferably PSS, from the viewpoint of stability when doped.

p型導電性高分子としてのドナー分子とアクセプタ分子の組み合わせの具体例としては、ポリエチレンジオキシチオフェン/ポリスチレンスルホン酸(PEDOT/PSS)、ポリエチレンジオキシチオフェン/ポリビニルスルホン酸(PEDOT/PVS)、スルホン化ポリアニリン(PAS)、ポリエチレンジオキシチオフェン/p−トルエンスルホン酸エステル(トシレート)(PEDOT/TOS)などが好ましく挙げられ、PEDOT/PSSが好ましい。また、ポリアニリンにカンファ―スルホン酸(CSA)がドープしたPASを用いることも好ましい。この場合には、溶媒としてm−クレゾールを用いることが好ましい。   Specific examples of the combination of a donor molecule and an acceptor molecule as a p-type conductive polymer include polyethylene dioxythiophene / polystyrene sulfonic acid (PEDOT / PSS), polyethylene dioxythiophene / polyvinyl sulfonic acid (PEDOT / PVS), sulfone. Preferred examples include polyaniline (PAS), polyethylenedioxythiophene / p-toluenesulfonic acid ester (tosylate) (PEDOT / TOS), and PEDOT / PSS is preferred. It is also preferable to use PAS in which polyaniline is doped with camphor-sulfonic acid (CSA). In this case, it is preferable to use m-cresol as a solvent.

ポリアニオンドーパントの重合度は、モノマー単位が10〜100,000個の範囲であることが好ましく、溶媒溶解性及び導電性の点からは、50〜10,000個の範囲がより好ましい。   The degree of polymerization of the polyanion dopant is preferably in the range of 10 to 100,000 monomer units, and more preferably in the range of 50 to 10,000 from the viewpoint of solvent solubility and conductivity.

ポリアニオンドーパントの含有量は、有機導電性高分子1モルに対して0.1〜10モルの範囲であることが好ましく、1〜7モルの範囲であることがより好ましい。ここでモル数は、ポリアニオンドーパントを形成するアニオン基を含むモノマー由来の構造単位数、及び有機導電性高分子を形成するピロール、チオフェン、アニリン等のモノマー由来の構造単位数で定義される。ポリアニオンドーパントの含有量が、有機導電性高分子1モルに対して0.1モル以上であれば、有機導電性高分子へのドーピング効果が大きくなり、導電性が充分に発現する。その上、溶媒への分散性及び溶解性が高くなり、均一な分散液を得ることが容易である。また、ポリアニオンドーパントの含有量が、有機導電性高分子1モルに対して10モル以下であると、有機導電性高分子を多く含有させることができ、充分な導電性が得られやすい。   The content of the polyanion dopant is preferably in the range of 0.1 to 10 mol, and more preferably in the range of 1 to 7 mol, with respect to 1 mol of the organic conductive polymer. Here, the number of moles is defined by the number of structural units derived from a monomer containing an anionic group that forms a polyanion dopant and the number of structural units derived from a monomer such as pyrrole, thiophene, or aniline that forms an organic conductive polymer. When the content of the polyanion dopant is 0.1 mol or more with respect to 1 mol of the organic conductive polymer, the doping effect on the organic conductive polymer is increased, and the conductivity is sufficiently exhibited. In addition, the dispersibility and solubility in the solvent are increased, and it is easy to obtain a uniform dispersion. Further, when the content of the polyanion dopant is 10 mol or less with respect to 1 mol of the organic conductive polymer, a large amount of the organic conductive polymer can be contained, and sufficient conductivity can be easily obtained.

(溶媒)
溶液に用いられる溶媒は、水、有機溶媒、又はこれらの混合溶媒が好ましい。有機溶媒としては、例えば、非プロトン性の極性溶媒(DMSO(ジメチルスルホキシド)、DMF(N,N−ジメチルホルムアミド)、NMP(N−メチル−2−ピロリドン)等)、脂肪族ハロゲン系溶媒(ジクロロメタン、クロロホルム、四塩化炭素、二塩化エタン、トリクロロエチレン、トリクロロエタン、テトラクロロエチレン等)、芳香族ハロゲン系溶媒(クロロベンゼン、ジクロロベンゼン等)、芳香族非ハロゲン系溶媒(ベンゼン、トルエン、キシレン、メシチレン、テトラリン、テトラメチルベンゼン、ピリジン等)、ケトン系溶媒(シクロヘキサノン、アセトン、メチルエチルケトン等)、エーテル系溶媒(ジエチルエーテル、テトラヒドロフラン(THF)、t−ブチルメチルエーテル、ジメトキシエタン、ジグライム等)、アルコール系溶媒(アルコール(エタノール、エチレングリコール等)などが挙げられる。
(solvent)
The solvent used for the solution is preferably water, an organic solvent, or a mixed solvent thereof. Examples of organic solvents include aprotic polar solvents (DMSO (dimethyl sulfoxide), DMF (N, N-dimethylformamide), NMP (N-methyl-2-pyrrolidone), etc.), aliphatic halogen solvents (dichloromethane). , Chloroform, carbon tetrachloride, ethane dichloride, trichloroethylene, trichloroethane, tetrachloroethylene, etc.), aromatic halogen solvents (chlorobenzene, dichlorobenzene, etc.), aromatic non-halogen solvents (benzene, toluene, xylene, mesitylene, tetralin, tetra) Methyl benzene, pyridine, etc.), ketone solvents (cyclohexanone, acetone, methyl ethyl ketone, etc.), ether solvents (diethyl ether, tetrahydrofuran (THF), t-butyl methyl ether, dimethoxyethane, diglyme) ), Alcohol solvents (alcohols (ethanol, ethylene glycol, etc.) and the like.

(熱電変換素子)
本実施形態の熱電変換素子は、第1電極層と、導電性高分子を含有する熱電変換層と、第2電極層とがこの順に積層されており、第1電極層と熱電変換層との間の単位面積あたりの第1界面における界面接触抵抗が、0.013Ω/mm未満であり、第2電極層と熱電変換層との間の第2界面における単位面積あたりの界面接触抵抗が、0.013Ω/mm未満である。
(Thermoelectric conversion element)
In the thermoelectric conversion element of this embodiment, a first electrode layer, a thermoelectric conversion layer containing a conductive polymer, and a second electrode layer are laminated in this order, and the first electrode layer and the thermoelectric conversion layer The interfacial contact resistance at the first interface per unit area is less than 0.013 Ω / mm 2 , and the interfacial contact resistance at the second interface between the second electrode layer and the thermoelectric conversion layer is It is less than 0.013Ω / mm 2 .

図2は、本実施形態の熱電変換素子の断面図である。図2のとおり、熱電変換素子10は、第1基板1、第1電極層2、導電性高分子を含有する熱電変換層3、第2電極層4、第2基板5が、この順に積層されている。第1電極層2と熱電変換層3との間には第1界面Aが形成されており、第2電極層4と熱電変換層3との間には第2界面Bが形成されている。   FIG. 2 is a cross-sectional view of the thermoelectric conversion element of this embodiment. As shown in FIG. 2, the thermoelectric conversion element 10 includes a first substrate 1, a first electrode layer 2, a thermoelectric conversion layer 3 containing a conductive polymer, a second electrode layer 4, and a second substrate 5 stacked in this order. ing. A first interface A is formed between the first electrode layer 2 and the thermoelectric conversion layer 3, and a second interface B is formed between the second electrode layer 4 and the thermoelectric conversion layer 3.

第1界面Aにおける単位面積あたりの界面接触抵抗及び第2界面Bにおける単位面積あたりの界面接触抵抗は、それぞれ0.013Ω/mmである。このように、電極層と熱電変換層との間の界面の接触抵抗値が低いことによって、面直熱電変換素子の内部抵抗が低減される。第1界面A及び第2界面Bにおける単位面積あたりの界面接触抵抗は独立に、好ましくは0.007Ω/mm以下であり、より好ましくは0.003Ω/mm以下である。 The interface contact resistance per unit area in the first interface A and the interface contact resistance per unit area in the second interface B are each 0.013 Ω / mm 2 . Thus, the internal resistance of the surface direct thermoelectric conversion element is reduced by the low contact resistance value at the interface between the electrode layer and the thermoelectric conversion layer. The interface contact resistance per unit area in the first interface A and the second interface B is independently preferably 0.007Ω / mm 2 or less, more preferably 0.003Ω / mm 2 or less.

熱電変換層3においては、熱電変換能を有する導電性高分子における有機導電性高分子とドーパントとがカップリングした構造を形成していることが好ましい。また、有機導電性高分子が導電性コア層(導電性凝集体)を形成し、当該導電性コア層の周囲をドーパントが覆うようにシェル層を形成していてもよい。ドーパントを含むシェル層が導電性コア層を覆うことによって、従来の製造方法においては、電極層と導電性コア層とが接触することを阻害し、内部抵抗の上昇を招いていた。しかしながら、本実施形態の製造方法によれば、液相固相接合で電極層と、熱電変換能を有する導電性高分子を含む溶液とを接触させるため、電極層と導電性凝集体(導電性コア層)とが接続し、界面接触抵抗が従来よりも低減し、熱電変換素子の内部抵抗が低減される。   The thermoelectric conversion layer 3 preferably has a structure in which an organic conductive polymer and a dopant in a conductive polymer having thermoelectric conversion capability are coupled. Further, the organic conductive polymer may form a conductive core layer (conductive aggregate), and the shell layer may be formed so that the periphery of the conductive core layer is covered with the dopant. When the shell layer containing the dopant covers the conductive core layer, in the conventional manufacturing method, the contact between the electrode layer and the conductive core layer is inhibited, and the internal resistance is increased. However, according to the manufacturing method of the present embodiment, the electrode layer and the conductive aggregate (conductive property) are used in order to bring the electrode layer into contact with the solution containing the conductive polymer having thermoelectric conversion capability by liquid phase solid phase bonding. The core layer) is connected, the interface contact resistance is reduced as compared with the conventional case, and the internal resistance of the thermoelectric conversion element is reduced.

第1電極層及び第2電極層の双方が、同一の導電性凝集体に接触していることが好ましい。同一の導電性凝集体に第1及び第2電極層が接触していることにより、熱電変換素子の内部抵抗が低減される傾向にある。なお、複数の導電性凝集体同士が熱電変換層内で接続している場合には、電極層がいずれかの導電性凝集体に接触していればよい。   Both the first electrode layer and the second electrode layer are preferably in contact with the same conductive aggregate. When the first and second electrode layers are in contact with the same conductive aggregate, the internal resistance of the thermoelectric conversion element tends to be reduced. In addition, when several electroconductive aggregates are connected within the thermoelectric conversion layer, the electrode layer should just be in contact with one of the electroconductive aggregates.

熱電変換層の厚さは、0.1μm〜100μmであることが好ましい。熱電変換層は導電性高分子を含有することから、厚さが当該範囲であれば、フレキシブルな熱電変換素子となる傾向にある。熱電変換層の厚さは、より好ましくは1μm〜80μmであり、さらに好ましくは5μm〜40μmである。なお、例えば、熱電変換素子をフレキシブルな用途で用いない場合などにおいては、熱電変換層の厚さは当該範囲よりも厚くてもよい。   The thickness of the thermoelectric conversion layer is preferably 0.1 μm to 100 μm. Since the thermoelectric conversion layer contains a conductive polymer, if the thickness is in the range, the thermoelectric conversion layer tends to be a flexible thermoelectric conversion element. The thickness of the thermoelectric conversion layer is more preferably 1 μm to 80 μm, still more preferably 5 μm to 40 μm. For example, when the thermoelectric conversion element is not used for a flexible application, the thickness of the thermoelectric conversion layer may be thicker than the range.

(電極層)
本実施形態における第1電極層及び第2電極層を構成する金属は特に限定されず、第1電極層及び第2電極層が同じ金属から構成されていても、構成されていなくてもよい。これら第1電極層2及び第2電極層4に用いる金属としては、例えば、Ag、Au、Pt、Cu、Al、Zn、Ni、Mg、Rh、Ir、W、Co、Ru、In、Os、Fe、Pd、Ta、Nb、Cr、Ga、Pb、Re、V、Hf、Zr、Ti、Sn、Mn等が挙げられる。これらのうち、Ag、Au、Pt、Cu、Al、Zn、Niが好ましく、Ag、Au、Pt、Niが更に好ましい。また、これらは、単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。
(Electrode layer)
The metal which comprises the 1st electrode layer and 2nd electrode layer in this embodiment is not specifically limited, The 1st electrode layer and the 2nd electrode layer may be comprised from the same metal, and may not be comprised. Examples of the metal used for the first electrode layer 2 and the second electrode layer 4 include Ag, Au, Pt, Cu, Al, Zn, Ni, Mg, Rh, Ir, W, Co, Ru, In, Os, Fe, Pd, Ta, Nb, Cr, Ga, Pb, Re, V, Hf, Zr, Ti, Sn, Mn and the like can be mentioned. Of these, Ag, Au, Pt, Cu, Al, Zn, and Ni are preferable, and Ag, Au, Pt, and Ni are more preferable. Moreover, these may be used independently and may use 2 or more types together.

上記金属において、熱電変換層との界面接触抵抗が小さくなることから、仕事関数が大きい金属を使用することが好ましい。具体的には、仕事関数が3.0eV以上である金属を使用することが好ましく、3.5eV以上である金属を使用することがより好ましく、4.0eV以上である金属を使用することが更に好ましい。また、仕事関数の上限は特に限定されず、例えば、6eV以下であってもよい。なお、金属の仕事関数は、光電子放出法により測定することができる。   In the said metal, since interface contact resistance with a thermoelectric conversion layer becomes small, it is preferable to use a metal with a large work function. Specifically, it is preferable to use a metal having a work function of 3.0 eV or more, more preferably a metal having a work function of 3.5 eV or more, and further using a metal having a work function of 4.0 eV or more. preferable. Moreover, the upper limit of a work function is not specifically limited, For example, 6 eV or less may be sufficient. The metal work function can be measured by a photoelectron emission method.

また、上記金属の抵抗率は、特に限定されず、例えば、0.1×10−8Ωm〜100×10−8Ωmのものを使用することができるが、金属の抵抗率が低い方が、上記金属の熱電変換層2との界面接触抵抗が小さくなることから、抵抗率の低い金属を使用することが好ましい。この観点で、抵抗率が30×10−8Ωm以下である金属を使用することが好ましく、抵抗率が10×10−8Ωm以下である金属を使用することがより好ましく、抵抗率が5×10−8Ωm以下である金属を使用することが更に好ましい。なお、金属の抵抗率は、四探針法により測定することができる。 Further, the resistivity of the metal is not particularly limited, for example, can be used ones 0.1 × 10 -8 Ωm~100 × 10 -8 Ωm, better low metal resistivity, Since the interface contact resistance with the thermoelectric conversion layer 2 of the said metal becomes small, it is preferable to use a metal with low resistivity. In this respect, it is preferable to use a metal having a resistivity of 30 × 10 −8 Ωm or less, more preferable to use a metal having a resistivity of 10 × 10 −8 Ωm or less, and a resistivity of 5 ×. It is more preferable to use a metal that is 10 −8 Ωm or less. In addition, the resistivity of a metal can be measured by the four probe method.

第1電極層及び第2電極層の層厚は、限定されず、例えば、0.01〜200μmであってもよいが、層厚が小さすぎると、熱電変換層との界面接触抵抗が大きくなる傾向にあることから、0.1μm以上であることが好ましく、1μm以上であることがより好ましく、5μm以上であることが更に好ましい。一方、層厚が大きすぎると、コストがかかりすぎる傾向にある。これらの観点から、第1電極層1、第2電極層2の層厚は、50μm以下であることが好ましく、30μm以下であることがより好ましく、15μm以下であることが更に好ましい。   The layer thicknesses of the first electrode layer and the second electrode layer are not limited, and may be, for example, 0.01 to 200 μm. If the layer thickness is too small, the interface contact resistance with the thermoelectric conversion layer increases. In view of the tendency, it is preferably 0.1 μm or more, more preferably 1 μm or more, and further preferably 5 μm or more. On the other hand, if the layer thickness is too large, the cost tends to be too high. From these viewpoints, the thicknesses of the first electrode layer 1 and the second electrode layer 2 are preferably 50 μm or less, more preferably 30 μm or less, and further preferably 15 μm or less.

(基板)
本実施形態における基板(第1基板、第2基板)の材料は、特に限定されないが、絶縁性材料が好ましい。そのような材料としては、例えば、ポリイミド系樹脂、ポリアミド系樹脂、エポキシ系樹脂、メタクリル系樹脂、ポリスルホン系樹脂、塩化ビニル系樹脂(例えばポリ塩化ビニル)、ポリエステル系樹脂(例えばポリエチレンテレフタレート)など等の有機絶縁材料、SiO、Al、TiO、Ta、ZrO等の無機絶縁材料を用いることができる。これらのうち、柔軟性及び耐熱性に優れることから、ポリイミド系樹脂又はポリアミド系樹脂を用いることが好ましい。これらは、単独で使用してもよく、2種以上を併用してもよい。柔軟性に優れる基板材料を用いることによって、フレキシブルな熱電変換素子を実現できる。
(substrate)
Although the material of the board | substrate (1st board | substrate, 2nd board | substrate) in this embodiment is not specifically limited, An insulating material is preferable. Examples of such materials include polyimide resins, polyamide resins, epoxy resins, methacrylic resins, polysulfone resins, vinyl chloride resins (for example, polyvinyl chloride), polyester resins (for example, polyethylene terephthalate), and the like. An organic insulating material such as SiO 2 , Al 2 O 3 , TiO 2 , Ta 2 O 5 , and ZrO 2 can be used. Among these, it is preferable to use a polyimide resin or a polyamide resin because of excellent flexibility and heat resistance. These may be used alone or in combination of two or more. By using a substrate material that is excellent in flexibility, a flexible thermoelectric conversion element can be realized.

基板の厚さは、1μm〜200μmであることが好ましい。基板の厚さが当該範囲であれば、フレキシブルな熱電変換素子となる傾向にある。基板の厚さは、より好ましくは10μm〜125μmであり、さらに好ましくは10μm〜25μmである。なお、例えば、熱電変換素子をフレキシブルな用途で用いない場合などにおいては、基板の厚さは当該範囲よりも厚くてもよい。   The thickness of the substrate is preferably 1 μm to 200 μm. If the thickness of the substrate is within this range, it tends to be a flexible thermoelectric conversion element. The thickness of the substrate is more preferably 10 μm to 125 μm, still more preferably 10 μm to 25 μm. Note that, for example, when the thermoelectric conversion element is not used for a flexible application, the thickness of the substrate may be thicker than the range.

本実施形態の熱電変換素子は、温度差が1K前後であっても、発電が可能である。よって、充電が不要で小型化に有利な電源として、ユーザの人体に継続的に装着されるウエアラブル端末の電源として好ましく使用することができる。   The thermoelectric conversion element of this embodiment can generate power even if the temperature difference is around 1K. Therefore, it can be preferably used as a power source for a wearable terminal continuously worn on the user's human body as a power source that does not require charging and is advantageous for downsizing.

(内部抵抗低減方法)
本実施形態の熱電変換素子の内部抵抗低減方法は、第1電極層と、第2電極層とを、熱電変換能を有する導電性高分子を含有する溶液を用いて接合する接合工程を備え、接合工程において、固相である第1電極層及び第2電極層と、液相である溶液とを接触させて、熱電変換層を形成することで、熱電変換層との間の第1界面における界面接触抵抗と、第2電極層と熱電変換層との間の第2界面における界面接触抵抗とを低減させる方法である。
これにより、熱電変換素子の内部抵抗を低減することができる。
(Internal resistance reduction method)
The method for reducing the internal resistance of the thermoelectric conversion element of the present embodiment includes a joining step of joining the first electrode layer and the second electrode layer using a solution containing a conductive polymer having thermoelectric conversion ability, In the bonding step, the first electrode layer and the second electrode layer that are solid phases are brought into contact with the solution that is a liquid phase to form a thermoelectric conversion layer, thereby forming a first interface between the thermoelectric conversion layer and the thermoelectric conversion layer. In this method, the interface contact resistance and the interface contact resistance at the second interface between the second electrode layer and the thermoelectric conversion layer are reduced.
Thereby, the internal resistance of the thermoelectric conversion element can be reduced.

以下、本発明の実施例について詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではない。
<実施例1>
図3に示すように、まず、ポリイミドからなる第1基板1を用意し、この第1基板1をエタノールを含むビーカーに入れ、エタノールに浸した状態で超音波洗浄機に入れ、30分間超音波洗浄を行った(S1)。洗浄された第1基板1に、スクリーン印刷機によって銀ペーストを刷り、120℃で1時間乾燥させ、第1基板1上に第1電極層2を形成した(S2)。同様にして洗浄された第2基板5に、スクリーン印刷機によって銀ペーストを刷り、120℃で1時間乾燥させ、第2基板5上に第2電極層4を形成した(S3)。第1電極層2形成後のサンプルについて、カプトンテープ(登録商標)を用いてマスキングを行った(S4)。
Examples of the present invention will be described in detail below, but the present invention is not limited to the following examples.
<Example 1>
As shown in FIG. 3, first, a first substrate 1 made of polyimide is prepared. This first substrate 1 is placed in a beaker containing ethanol, placed in an ultrasonic cleaning machine in a state immersed in ethanol, and subjected to ultrasonic waves for 30 minutes. Washing was performed (S1). A silver paste was printed on the cleaned first substrate 1 by a screen printer and dried at 120 ° C. for 1 hour to form the first electrode layer 2 on the first substrate 1 (S2). A silver paste was printed on the second substrate 5 cleaned in the same manner by a screen printing machine and dried at 120 ° C. for 1 hour to form the second electrode layer 4 on the second substrate 5 (S3). About the sample after 1st electrode layer 2 formation, masking was performed using the Kapton tape (trademark) (S4).

次に、エタノール、純水により洗浄されたスクリュ管ビンの中に、PEDOT:PSS(CleviosTM:PH1000、Heraeus社製)及びジメチルスルホキシド(DMSO)(SIGMA−ALDRICH社製、472301−100ML)を、PEDOT:PSSとDMSOとが20:1の割合となるように、撹拌子とともに入れた。その後、蓋を閉じ、撹拌機の上に載せ、光が当たらないようにスクリュ管ビンをアルミ箔で覆い、スターラーで1時間撹拌を行った。この1時間の撹拌の間に、マスキングが完了した第1基板1及び第2基板5のそれぞれの電極形成側(片面側のみ)に、大気圧ヘリウム・プラズマ装置を用いて、プラズマ親水処理(17kV,8.0L/minの条件)を行った(S5)。 Next, in a screw tube bottle washed with ethanol and pure water, PEDOT: PSS (Clevios : PH1000, manufactured by Heraeus) and dimethyl sulfoxide (DMSO) (manufactured by SIGMA-ALDRICH, 472301-100ML), PEDOT: PSS and DMSO were added together with a stir bar so that the ratio was 20: 1. Then, the lid was closed, and the mixture was placed on a stirrer, and the screw tube bottle was covered with aluminum foil so that no light was applied, and stirring was performed with a stirrer for 1 hour. During this 1 hour of stirring, plasma hydrophilic treatment (17 kV) is performed using an atmospheric pressure helium plasma apparatus on each electrode forming side (only one side) of the first substrate 1 and the second substrate 5 where the masking is completed. , 8.0 L / min) (S5).

この1時間の撹拌の間に、マスキングが完了した第1基板1をシャーレにカプトンテープで貼り付けた。その後、撹拌が終了した、PEDOT:PSSを含む溶液を用いて、1.0μL/mmとなるように、キャストを行った(S6)。PEDOT:PSSを含む溶液が液相状態である間に、第2電極層4が形成された第2基板5を、第2電極層4が第1電極層2に対向するように溶液上に載置し、この状態のサンプルをシャーレに載せ、液相状態を1分間保持した。その後、ホットプレート(設定温度40℃)の上にサンプルを置き、15時間乾燥させた(S7)。この際、シャーレの上をアルミ箔で覆い、光がサンプルに当たらないようにした。 During the stirring for 1 hour, the first substrate 1 on which masking was completed was attached to the petri dish with Kapton tape. Then, casting was performed using a solution containing PEDOT: PSS that had been agitated to 1.0 μL / mm 2 (S6). While the solution containing PEDOT: PSS is in a liquid phase state, the second substrate 5 on which the second electrode layer 4 is formed is placed on the solution so that the second electrode layer 4 faces the first electrode layer 2. The sample in this state was placed on a petri dish and kept in a liquid phase for 1 minute. Thereafter, the sample was placed on a hot plate (set temperature: 40 ° C.) and dried for 15 hours (S7). At this time, the petri dish was covered with aluminum foil so that light did not hit the sample.

15時間の乾燥が終わった直後に、真空乾燥機の中にサンプルを入れ、まず、真空引きを行った。真空引きを行っている間に、110℃で、2時間真空乾燥を行った(S8)。乾燥後、乾燥機内の温度が40℃を下回ったところで、150℃で2時間再び真空乾燥を行った(S9)。   Immediately after the drying for 15 hours, the sample was put in a vacuum dryer, and vacuuming was performed first. While vacuuming, vacuum drying was performed at 110 ° C. for 2 hours (S8). After drying, when the temperature inside the dryer was lower than 40 ° C., vacuum drying was performed again at 150 ° C. for 2 hours (S9).

150℃で2時間乾燥した後、乾燥機内の温度が34℃以下になったところで、サンプルを取り出した。以上の操作により、第1基板1、第2電極層2、PEDOT:PSSからなる熱電変換層3、第2電極層4、第2基板5からなる熱電変換素子を作製した(S10)。なお、第1電極層2及び第2電極層4の層厚は、それぞれ12.9μm、熱電変換層3の厚さは、5.6μmであった。   After drying at 150 ° C. for 2 hours, the sample was taken out when the temperature in the dryer became 34 ° C. or lower. The thermoelectric conversion element which consists of the 1st board | substrate 1, the 2nd electrode layer 2, the thermoelectric conversion layer 3 which consists of PEDOT: PSS, the 2nd electrode layer 4, and the 2nd board | substrate 5 by the above operation was produced (S10). In addition, the layer thickness of the 1st electrode layer 2 and the 2nd electrode layer 4 was 12.9 micrometers, respectively, and the thickness of the thermoelectric conversion layer 3 was 5.6 micrometers.

<比較例1>
図13は、比較例1に係る熱電変換素子の製造工程を示すフローチャートである。図13に示すように、まず、ポリイミドからなる基板を用意し、この基板をエタノールを含むビーカーに入れ、エタノールに浸した状態で超音波洗浄機に入れ、30分間超音波洗浄を行った(S11)。洗浄された基板に、スクリーン印刷機によって銀ペーストを刷り、120℃で1時間乾燥させ、基板1上に第1電極層2を形成した(S12)。第1電極層形成後のサンプルについて、カプトンテープ(登録商標)を用いてマスキングを行った(S13)。
<Comparative Example 1>
FIG. 13 is a flowchart showing a manufacturing process of the thermoelectric conversion element according to Comparative Example 1. As shown in FIG. 13, first, a substrate made of polyimide was prepared, and this substrate was put into a beaker containing ethanol, placed in an ultrasonic cleaner while immersed in ethanol, and subjected to ultrasonic cleaning for 30 minutes (S11). ). A silver paste was printed on the cleaned substrate with a screen printer and dried at 120 ° C. for 1 hour to form the first electrode layer 2 on the substrate 1 (S12). About the sample after 1st electrode layer formation, masking was performed using the Kapton tape (trademark) (S13).

次に、エタノール、純水により洗浄されたスクリュ管ビンの中に、PEDOT:PSS(CleviosTM:PH1000、Heraeus社製)及びジメチルスルホキシド(DMSO)(SIGMA−ALDRICH社製、472301−100ML)を、PEDOT:PSSとDMSOとが20:1の割合となるように、撹拌子とともに入れた。その後、蓋を閉じ、撹拌機の上に載せ、光が当たらないようにスクリュ管ビンをアルミ箔で覆い、スターラーで1時間撹拌を行った。 Next, in a screw tube bottle washed with ethanol and pure water, PEDOT: PSS (Clevios : PH1000, manufactured by Heraeus) and dimethyl sulfoxide (DMSO) (manufactured by SIGMA-ALDRICH, 472301-100ML), PEDOT: PSS and DMSO were added together with a stir bar so that the ratio was 20: 1. Then, the lid was closed, and the mixture was placed on a stirrer, and the screw tube bottle was covered with aluminum foil so that no light was applied, and stirring was performed with a stirrer for 1 hour.

この1時間の撹拌の間に、マスキングが完了した基板にプラズマ親水処理(17kV,8.0L/minの条件)を行った後(S14)、シャーレにカプトンテープで貼り付けた。その後、撹拌が終了した、PEDOT:PSSを含む溶液を用いて、1.0μL/mmとなるように、キャストを行った(S15)。この状態のサンプルをシャーレに載せたまま、ホットプレート(設定温度40℃)の上に置き、15時間乾燥させた。この際、シャーレの上をアルミ箔で覆い、光がサンプルに当たらないようにした(S16)。 During the stirring for 1 hour, plasma hydrophilic treatment (conditions of 17 kV, 8.0 L / min) was performed on the substrate on which masking was completed (S14), and then the substrate was attached to the petri dish with Kapton tape. Then, casting was performed using a solution containing PEDOT: PSS that had been agitated to 1.0 μL / mm 2 (S15). The sample in this state was placed on a petri dish and placed on a hot plate (set temperature: 40 ° C.) and dried for 15 hours. At this time, the petri dish was covered with an aluminum foil so that light did not strike the sample (S16).

15時間の乾燥が終わった直後に、真空乾燥機の中にサンプルを入れ、まず、真空引きを行った。真空引きを行っている間に、110℃で、2時間真空乾燥を行った(S17)。乾燥後、乾燥機内の温度が40℃を下回ったところで、150℃で2時間再び真空乾燥を行った(S18)。   Immediately after the drying for 15 hours, the sample was put in a vacuum dryer, and vacuuming was performed first. While vacuuming, vacuum drying was performed at 110 ° C. for 2 hours (S17). After drying, when the temperature in the dryer fell below 40 ° C, vacuum drying was performed again at 150 ° C for 2 hours (S18).

150℃で2時間乾燥した後、乾燥機内の温度が34℃以下になったところで、サンプルを取り出した。そして、上記熱電変換層上にスクリーン印刷機によってAgペーストを刷り、120℃で1時間乾燥させ、第2電極層を作成した(S18)。以上の操作により、基板、第1電極層、PEDOT:PSSからなる熱電変換層、第2電極層からなる熱電変換素子を作成した。第1電極層の層厚は16.5μm、熱電変換層の厚さは、6.6μmであった。   After drying at 150 ° C. for 2 hours, the sample was taken out when the temperature in the dryer became 34 ° C. or lower. And Ag paste was printed on the said thermoelectric conversion layer with the screen printer, and it was made to dry at 120 degreeC for 1 hour, and the 2nd electrode layer was created (S18). The thermoelectric conversion element which consists of a board | substrate, the 1st electrode layer, the thermoelectric conversion layer which consists of PEDOT: PSS, and the 2nd electrode layer by the above operation was created. The thickness of the first electrode layer was 16.5 μm, and the thickness of the thermoelectric conversion layer was 6.6 μm.

<評価1>
実施例1及び比較例1で説明した製法により作製された複数のサンプル(一対)について、120℃で1時間の加熱後に常温に戻るまで放置した後、抵抗を測定した。この工程を1サイクルとして、同条件で加熱徐冷し抵抗の測定を繰り返す、耐熱試験を行った。その結果を図4及び図5に示す。
<Evaluation 1>
A plurality of samples (a pair) prepared by the manufacturing method described in Example 1 and Comparative Example 1 were left to return to room temperature after heating at 120 ° C. for 1 hour, and then the resistance was measured. This process was defined as one cycle, and a heat resistance test was performed in which heating and cooling were performed under the same conditions and measurement of resistance was repeated. The results are shown in FIGS.

図4の結果からわかるように、実施例1の製法により作製された複数のサンプル(No1〜No.6)についてはいずれも、サイクル数が増加しても、抵抗値0.3Ω程度で推移し、良好な熱安定性を持つことが確認された。これに対し、図5の結果からわかるように、比較例1の製法により作製された複数のサンプル(No.7〜No.10)については、いずれも接触抵抗が実施例1のサンプルよりも著しく高く、ヒートサイクルを繰り返すたびに接触抵抗が、6サイクル目で40Ωまで上昇することが確認された。No.7〜No.9のサンプルは、加熱により素子の電極に亀裂が入り測定不可能となった。加熱による熱電変換層の収縮が、銀電極の亀裂を引き起こしていることが見受けられた。   As can be seen from the results in FIG. 4, all of the samples (No. 1 to No. 6) produced by the manufacturing method of Example 1 remained at a resistance value of about 0.3Ω even when the number of cycles increased. , Confirmed to have good thermal stability. On the other hand, as can be seen from the results of FIG. 5, the contact resistance of the plurality of samples (No. 7 to No. 10) produced by the manufacturing method of Comparative Example 1 is significantly higher than that of the sample of Example 1. It was confirmed that the contact resistance increased to 40Ω at the sixth cycle every time the heat cycle was repeated. No. 7-No. In the sample No. 9, the electrode of the element cracked due to heating, and measurement was impossible. It was found that the shrinkage of the thermoelectric conversion layer due to heating caused cracks in the silver electrode.

<評価2>
実施例1及び比較例1で作製された熱電変換素子からなる熱電変換モジュールの出力特性を、図6に示す測定システムによって評価した。
図6に示す測定システムは、測定対象となるサンプル20を、高温側熱電対Tを有しヒータ21により加熱される銅ブロックからなる加熱部分22と、低温側熱電対Tを有し水冷装置23により冷却される銅ブロックからなる冷却部分24とで挟み、負荷抵抗RLを用いて電圧計(ディジタルマルチメータ(DMM))25及び電流計(DMM)26により測定を行うものである。なお、リード線27、28は、加熱部分22と冷却部分24の銅ブロックに接触しないように、ポリイミドを用いて絶縁されている。サンプル20と加熱部分22と冷却部分24の銅ブロックとの熱接触を良くするために熱伝導グリスを塗布した。
実施例1及び比較例1の各種条件は、以下の通りである。
素子数N=7
実施例1の素子の厚さ=31.4μm、比較例1の素子の厚さ=39.6μm
(素子の厚さは、熱電変換層、第1電極層及び第2電極層の厚さの合計とした。)
素子の幅=5mm
素子の実効長さL=6mm
(素子の幅、実効長さは、熱電変換層の幅、実効長さとした。)
導電率σ(抵抗率ρ=1/σ)=600S/cm
<Evaluation 2>
The output characteristics of the thermoelectric conversion module including the thermoelectric conversion elements manufactured in Example 1 and Comparative Example 1 were evaluated by the measurement system shown in FIG.
Measurement system shown in Figure 6, a sample 20 to be measured has a heating portion 22 of copper block heated by a heater 21 having a hot side thermocouple T H, the low-temperature-side thermocouple T L water cooling The measurement is performed by a voltmeter (digital multimeter (DMM)) 25 and an ammeter (DMM) 26 using a load resistance RL, sandwiched between a cooling portion 24 made of a copper block cooled by a device 23. The lead wires 27 and 28 are insulated using polyimide so as not to contact the copper blocks of the heating portion 22 and the cooling portion 24. In order to improve the thermal contact between the sample 20, the heating part 22 and the copper block of the cooling part 24, heat conductive grease was applied.
Various conditions of Example 1 and Comparative Example 1 are as follows.
Number of elements N = 7
Thickness of the element of Example 1 = 31.4 μm, Thickness of the element of Comparative Example 1 = 39.6 μm
(The thickness of the element was the sum of the thicknesses of the thermoelectric conversion layer, the first electrode layer, and the second electrode layer.)
Element width = 5 mm
Effective length L of element = 6mm
(The width and effective length of the element were the width and effective length of the thermoelectric conversion layer.)
Conductivity σ (resistivity ρ = 1 / σ) = 600 S / cm

その結果を図7と表1に示す。図7において、aのグラフは実施例1で作製された熱電変換素子からなる熱電変換モジュールの電流Iと出力Pとの関係、bのグラフは比較例1で作製された熱電変換素子からなる熱電変換モジュールの電流Iと出力Pとの関係を示す。また、cのグラフは実施例1で作製された熱電変換素子からなる熱電変換モジュールの電流Iと電圧Vとの関係、dのグラフは比較例1で作製された熱電変換素子からなる熱電変換モジュールの電流Iと電圧Vとの関係を示す。表1に示される開放電圧V、短絡電流I、内部抵抗R、最大出力Pmaxの理論値の計算は、以下の数式を使用する。
The results are shown in FIG. In FIG. 7, a graph a shows the relationship between the current I and the output P of the thermoelectric conversion module made of the thermoelectric conversion element manufactured in Example 1, and a graph b shows the thermoelectric conversion made by the thermoelectric conversion element manufactured in Comparative Example 1. The relationship between the electric current I and the output P of a conversion module is shown. Moreover, the graph of c is the relationship between the electric current I and the voltage V of the thermoelectric conversion module which consists of the thermoelectric conversion element produced in Example 1, The graph of d is a thermoelectric conversion module which consists of the thermoelectric conversion element produced in the comparative example 1. The relationship between current I and voltage V is shown. The following formulas are used to calculate the theoretical values of the open circuit voltage V 0 , the short circuit current I 0 , the internal resistance R 0 , and the maximum output P max shown in Table 1.

図7及び表1の結果から、実施例1の熱電変換素子を用いた熱電変換モジュールでは、比較例1の熱電変換素子を用いた熱電変換モジュールに比べ抵抗が低減され、その出力が向上することが確認された。これにより、熱電変換層を形成するために用いた溶液が液相状態であるときに電極が接合された実施例1では、熱電変換層が固相状態であるときに電極が接合された比較例1に比べ、電極と熱電変換層との界面接触抵抗が小さく、電力の損失が小さいことが示されている。なお、内部抵抗Rの値は、理論値が測定値よりも大きく低い。その主な原因は次のように考えられる。PEDOT:PSS等の導電性高分子では、電子は共役系に沿って非局在化しているため、高い電気伝導率が発現する。しかし、面直方向において、PEDOT:PSS分子鎖はπ−π相互作用によりスタッキング(積み重ね)構造をとり、導電性をもつPEDOT鎖間距離が長くなるため、面直の電気伝導率が面内方向よりも低く見積もられると考えられる。 From the results of FIG. 7 and Table 1, in the thermoelectric conversion module using the thermoelectric conversion element of Example 1, the resistance is reduced and the output is improved compared to the thermoelectric conversion module using the thermoelectric conversion element of Comparative Example 1. Was confirmed. Thus, in Example 1 in which the electrode was bonded when the solution used to form the thermoelectric conversion layer was in a liquid phase state, the electrode was bonded when the thermoelectric conversion layer was in a solid phase state. Compared to 1, the interface contact resistance between the electrode and the thermoelectric conversion layer is small, and the power loss is small. The theoretical value of the internal resistance R0 is much lower than the measured value. The main cause is considered as follows. In a conductive polymer such as PEDOT: PSS, electrons are delocalized along the conjugated system, and thus high electrical conductivity is exhibited. However, in the perpendicular direction, the PEDOT: PSS molecular chain has a stacking structure due to π-π interaction, and the distance between the conductive PEDOT chains becomes long, so that the electric conductivity of the perpendicular plane is in the in-plane direction. Is estimated to be lower.

<評価3>
上記実施例で作製された熱電変換素子のヒートサイクル(高温側60℃、低温側20℃)における出力特性を評価した。これら熱電変換素子の開放電圧Vは、実用上の用途で考えられる温度差ΔT=1.0Kになるように調整した。開放電圧について図8、内部抵抗について図9、図10に示す。
<Evaluation 3>
The output characteristics in the heat cycle (high temperature side 60 ° C., low temperature side 20 ° C.) of the thermoelectric conversion elements produced in the above examples were evaluated. The open-circuit voltage V 0 of these thermoelectric conversion elements was adjusted so as to be a temperature difference ΔT = 1.0K considered for practical use. FIG. 8 shows the open circuit voltage, and FIGS. 9 and 10 show the internal resistance.

図9〜図10の結果から、内部抵抗は約6.4Ωからほぼ変わらず推移し、最大出力Pmaxは0.47μWを維持し、高い安定性が得られることが確認された。   From the results of FIGS. 9 to 10, it was confirmed that the internal resistance changed substantially from about 6.4Ω, the maximum output Pmax was maintained at 0.47 μW, and high stability was obtained.

<評価4>
実施例1の熱電変換素子において第2電極が剥がされた熱電変換層の表面と、比較例1の熱電変換素子において第2電極が積層される前の導電膜層の表面との電気的特性を、原子間力顕微鏡(AFMモード)(オックスフォードインストゥルメンツ社製、MFP−3D−Origin AFM)により観察した結果を図11に示す。また、これら表面を、電気力顕微鏡(EFMモード)(オックスフォードインストゥルメンツ社製、MFP−3D−Origin)により観察した結果を図12に示す。図12(b)に示す比較例1の導電膜の表面(電極と接合される面)が一様に平滑化されているのに対し、図12(a)に示す実施例1の導電膜の表面(電極と接合される面)は、凹凸が大きいことが確認された。これらの結果から、実施例1の導電膜の表面における、比較例1の導電膜表面に見られない凸状の部位は、導電性凝集体であるPEDOTが顕在化していることを示唆していると考えられる。
<Evaluation 4>
The electrical characteristics of the surface of the thermoelectric conversion layer from which the second electrode was peeled off in the thermoelectric conversion element of Example 1 and the surface of the conductive film layer before the second electrode was laminated in the thermoelectric conversion element of Comparative Example 1 FIG. 11 shows the results of observation with an atomic force microscope (AFM mode) (MFP-3D-Origin AFM, manufactured by Oxford Instruments). Moreover, the result of having observed these surfaces with the electric force microscope (EFM mode) (The Oxford Instruments company make, MFP-3D-Origin) is shown in FIG. While the surface of the conductive film of Comparative Example 1 shown in FIG. 12B (surface joined to the electrode) is uniformly smoothed, the conductive film of Example 1 shown in FIG. It was confirmed that the surface (surface joined to the electrode) has large irregularities. From these results, the convex part which is not seen in the conductive film surface of the comparative example 1 in the surface of the conductive film of Example 1 suggests that PEDOT which is an electroconductive aggregate is obvious. it is conceivable that.

<評価5>
実施例1の熱電変換素子における界面接触抵抗を測定するために、剥離剤を塗布した基板を用意した。第1電極層と剥離剤塗布済み基板とを実施例1と同様に液相固相接合し、接合後に剥離剤塗布済み基板を剥がすことによって、第1電極層と熱電変換層とを有する積層体を得た。この積層体の両端に端子(一方は第1電極層側、もう一方は熱電変換層側)を付けて、端子間に定電流源を接続して積層体に一定電流を流した。電極層側の端子の位置の電位を基準として、その端子から離れた位置に探針を当て電位を測定した。探針の位置を熱電変換層の方向へ移動させていき、各位置での電位を測定した。電極層と熱電変換層との界面において発生した電位の差と電流の値から、実施例1の熱電変換素子の一部である積層体の界面(第1界面)の単位面積あたりの界面接触抵抗を求めたところ、0.00007〜0.013Ω/mmの範囲であった。また、同様にして、第2電極層と熱電変換層とを有する積層体を得て、第2電極層と熱電変換層との界面(第2界面)の単位面積あたりの界面接触抵抗も求めたところ、0.00007〜0.013Ω/mmの範囲であった。一方、比較例1の熱電変換素子の界面接触抵抗を、実施例1と同じようにして求めたところ、0.013Ω/mmより高く、実施例1と比べて著しく上昇した値(0.107Ω/mm)を示した。
<Evaluation 5>
In order to measure the interface contact resistance in the thermoelectric conversion element of Example 1, a substrate coated with a release agent was prepared. The first electrode layer and the release agent-coated substrate are liquid phase solid-phase bonded in the same manner as in Example 1, and the laminate having the first electrode layer and the thermoelectric conversion layer is formed by peeling the release agent-coated substrate after bonding. Got. Terminals (one on the first electrode layer side and the other on the thermoelectric conversion layer side) were attached to both ends of the laminate, and a constant current source was connected between the terminals to allow a constant current to flow through the laminate. Using the potential at the terminal position on the electrode layer side as a reference, the potential was measured by applying a probe to a position away from the terminal. The position of the probe was moved in the direction of the thermoelectric conversion layer, and the potential at each position was measured. From the potential difference and current value generated at the interface between the electrode layer and the thermoelectric conversion layer, the interface contact resistance per unit area of the interface (first interface) of the laminate that is a part of the thermoelectric conversion element of Example 1 Was found to be in the range of 0.00007 to 0.013 Ω / mm 2 . Similarly, a laminate having the second electrode layer and the thermoelectric conversion layer was obtained, and the interface contact resistance per unit area of the interface (second interface) between the second electrode layer and the thermoelectric conversion layer was also obtained. However, the range was 0.00007 to 0.013 Ω / mm 2 . On the other hand, when the interfacial contact resistance of the thermoelectric conversion element of Comparative Example 1 was determined in the same manner as in Example 1, it was higher than 0.013 Ω / mm 2 and significantly increased compared to Example 1 (0.107 Ω). / mm 2 ).

1 基板
2 第1電極層
3 熱電変換層
4 第2電極層
5 基板
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Board | substrate 2 1st electrode layer 3 Thermoelectric conversion layer 4 2nd electrode layer 5 Board | substrate

Claims (15)

第1電極層と、第2電極層とを、熱電変換能を有する導電性高分子を含有する溶液を用いて接合する接合工程を備え、
前記接合工程において、固相である前記第1電極層及び前記第2電極層と、液相である前記溶液とを接触させて、熱電変換層を形成する、面直方向の温度差に基づく熱電変換能を有する熱電変換素子の製造方法。
A bonding step of bonding the first electrode layer and the second electrode layer using a solution containing a conductive polymer having thermoelectric conversion ability;
In the joining step, the first electrode layer and the second electrode layer that are solid phases and the solution that is a liquid phase are brought into contact with each other to form a thermoelectric conversion layer. A method for producing a thermoelectric conversion element having conversion ability.
前記接合工程において、前記第1電極層及び前記第2電極層の少なくとも一方を載置する、請求項1記載の熱電変換素子の製造方法。   The method for manufacturing a thermoelectric conversion element according to claim 1, wherein at least one of the first electrode layer and the second electrode layer is placed in the joining step. 前記接合工程において、前記溶液の液相状態を保持する、請求項1又は2記載の熱電変換素子の製造方法。   The method for manufacturing a thermoelectric conversion element according to claim 1, wherein the liquid phase state of the solution is maintained in the joining step. 前記溶液が、前記導電性高分子をコア部に有する粒子を含有する分散液である、請求項3記載の熱電変換素子の製造方法。   The manufacturing method of the thermoelectric conversion element of Claim 3 whose said solution is a dispersion liquid containing the particle | grains which have the said conductive polymer in a core part. 前記溶液の液相保持時間が1分〜2時間である、請求項3又は4記載の熱電変換素子の製造方法。   The manufacturing method of the thermoelectric conversion element of Claim 3 or 4 whose liquid phase holding time of the said solution is 1 minute-2 hours. 前記接合工程において、前記溶液の液相状態の保持後に前記溶液を乾燥させる、請求項3〜5のいずれか一項記載の熱電変換素子の製造方法。   The method for manufacturing a thermoelectric conversion element according to any one of claims 3 to 5, wherein, in the joining step, the solution is dried after the liquid phase state of the solution is maintained. 前記乾燥の温度が40〜150℃、乾燥時間が2〜15時間である、請求項6記載の熱電変換素子の製造方法。   The method for producing a thermoelectric conversion element according to claim 6, wherein the drying temperature is 40 to 150 ° C. and the drying time is 2 to 15 hours. 第1基板上に前記第1電極層を積層する工程、及び/又は、前記第2電極層上に第2基板を積層する工程、を備える、請求項1〜7のいずれか一項記載の熱電変換素子の製造方法。   The thermoelectric device according to any one of claims 1 to 7, comprising a step of laminating the first electrode layer on the first substrate and / or a step of laminating the second substrate on the second electrode layer. A method for manufacturing a conversion element. 熱電変換素子であって、
第1電極層と、熱電変換性能を有する導電性高分子を含有する熱電変換層と、第2電極層とがこの順に積層されており、
前記第1電極層と前記熱電変換層との間の第1界面における単位面積あたりの界面接触抵抗が、0.013Ω/mm未満であり、
前記第2電極層と前記熱電変換層との間の第2界面における単位面積あたりの界面接触抵抗が、0.013Ω/mm未満である、面直方向の温度差に基づく熱電変換能を有する熱電変換素子。
A thermoelectric conversion element,
The first electrode layer, the thermoelectric conversion layer containing a conductive polymer having thermoelectric conversion performance, and the second electrode layer are laminated in this order,
The interface contact resistance per unit area at the first interface between the first electrode layer and the thermoelectric conversion layer is less than 0.013 Ω / mm 2 ;
The interface contact resistance per unit area at the second interface between the second electrode layer and the thermoelectric conversion layer is less than 0.013 Ω / mm 2 and has a thermoelectric conversion capability based on a temperature difference in the perpendicular direction. Thermoelectric conversion element.
前記熱電変換性能を有する導電性高分子が、導電性凝集体を構成する有機導電性高分子と、ドーパントとを含む、請求項9の熱電変換素子。   The thermoelectric conversion element according to claim 9, wherein the conductive polymer having thermoelectric conversion performance includes an organic conductive polymer constituting a conductive aggregate and a dopant. 第1電極層及び第2電極層の双方が、同一の前記導電性凝集体に接している、請求項10記載の熱電変換素子。   The thermoelectric conversion element according to claim 10, wherein both the first electrode layer and the second electrode layer are in contact with the same conductive aggregate. 前記熱電変換層の厚さが、0.1μm〜100μmである、請求項9〜11のいずれか一項記載の熱電変換素子。   The thermoelectric conversion element as described in any one of Claims 9-11 whose thickness of the said thermoelectric conversion layer is 0.1 micrometer-100 micrometers. 前記第1電極層が第1基板上に積層されており、及び/又は、前記第2電極層上に第2基板が積層されている、請求項9〜12のいずれか一項記載の熱電変換素子。   The thermoelectric conversion according to any one of claims 9 to 12, wherein the first electrode layer is laminated on the first substrate and / or the second substrate is laminated on the second electrode layer. element. 請求項9〜13のいずれか一項記載の熱電変換素子を搭載した、ウェアラブル端末。   A wearable terminal on which the thermoelectric conversion element according to any one of claims 9 to 13 is mounted. 第1電極層と、第2電極層とを、熱電変換能を有する導電性高分子を含有する溶液を用いて接合する接合工程を備え、
前記接合工程において、固相である前記第1電極層及び前記第2電極層と、液相である前記溶液とを接触させて、熱電変換層を形成することで、
前記熱電変換層との間の第1界面における界面接触抵抗と、前記第2電極層と前記熱電変換層との間の第2界面における界面接触抵抗とを低減させる、面直方向の温度差に基づく熱電変換能を有する熱電変換素子の内部抵抗低減方法。
A bonding step of bonding the first electrode layer and the second electrode layer using a solution containing a conductive polymer having thermoelectric conversion ability;
In the bonding step, the first electrode layer and the second electrode layer that are solid phases are brought into contact with the solution that is a liquid phase to form a thermoelectric conversion layer,
An interface contact resistance at the first interface between the thermoelectric conversion layer and an interface contact resistance at the second interface between the second electrode layer and the thermoelectric conversion layer is reduced. The internal resistance reduction method of the thermoelectric conversion element which has the thermoelectric conversion capability based.
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