JP2018019014A - Thermoelectric conversion material, and thermoelectric conversion module arranged by use thereof - Google Patents

Thermoelectric conversion material, and thermoelectric conversion module arranged by use thereof Download PDF

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真 籔内
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide: a thermoelectric conversion material which enables the achievement of a low environmental load and a low cost and which can impart a high thermoelectric conversion property; and a thermoelectric conversion module.SOLUTION: A thermoelectric conversion material comprises a compound represented by the following general formula (1): ReTT'XX'Y(1). (In the formula (1), 0≤α≤2, 0≤β≤8, -1≤γ≤1, and -0.3≤μ≤0.3; and Re represents at least one element selected from a group consisting of an alkali metal element, an alkali earth metal and a rare earth element, T represents at least one element selected from a group consisting of Co, Rh and Ir, T' represents at least one element selected from a group consisting of Fe, Mn, Ni, Cr, V, Ti, Zr, Nb, Mo, Ru, Os, Re, W, Ta and Hf, X represents at least one element selected from a group consisting of Sn, Ge and Si, X' represents at least one element selected from a group consisting of Al, Ga, In, P, Sb and Bi, and Y is S.)SELECTED DRAWING: Figure 6

Description

本発明は、熱電変換材料及びこれを用いた熱電変換モジュールに関する。   The present invention relates to a thermoelectric conversion material and a thermoelectric conversion module using the same.

排熱のエネルギー利用方法の一つとして、古くから熱電変換素子が知られており、現在、200℃以下の温度域で比較的効率の良い熱電変換材料として、BiTeが実用化されている。Bi−Te系材料は性能指数ZT>1と変換効率が高いが、Bi及びTeはともに高価であり、またTeは極めて毒性が強いものである。このため、Bi−Te系のような従来の熱電変換素子では、安価に大量かつ安定的に市場に供給できず、一般に広く普及させられる可能性は低い。このため、熱電変換素子として、大量生産や低コスト化、環境負荷低減できるものが求められている。 Thermoelectric conversion elements have been known for a long time as one of the methods for using exhaust heat, and Bi 2 Te 3 has been put into practical use as a thermoelectric conversion material that is relatively efficient in a temperature range of 200 ° C. or lower. Yes. Bi-Te materials have a high figure of merit ZT> 1 and high conversion efficiency, but both Bi and Te are expensive, and Te is extremely toxic. For this reason, a conventional thermoelectric conversion element such as a Bi-Te system cannot be supplied to the market stably in large quantities at low cost, and is generally unlikely to be widely spread. For this reason, what can be mass-produced, cost-reduced, and environmental load reduction is calculated | required as a thermoelectric conversion element.

環境低負荷である材料系として、フルホイスラー合金FeVAlを基本とした熱電変換材料が特許文献1に開示されている。これは、Fe、V、Alなどの環境低負荷でかつ比較的低コストな元素によって構成されており、主に200℃以下の比較的低温域で、優れた熱電変換効率を示すことが知られている。フルホイスラー合金は、Bi−Te系材料のように有毒なレアメタルを使用しないため、産業応用上価値のある材料系である。 As a material system having a low environmental load, Patent Document 1 discloses a thermoelectric conversion material based on a full Heusler alloy Fe 2 VAl. This is composed of elements with low environmental load and relatively low cost, such as Fe, V, and Al, and is known to exhibit excellent thermoelectric conversion efficiency mainly in a relatively low temperature range of 200 ° C. or lower. ing. Full-Heusler alloy is a material system that is valuable for industrial applications because it does not use toxic rare metals like Bi-Te-based materials.

排熱の温度域はその種類に応じて異なっており、地下鉄や変電所において排出される排熱は200℃以下と比較的低温である一方、ゴミ焼却場において排出される排熱や自動車の排熱は、概ね300〜600℃程度と比較的高い温度域にある。このため、各温度域に適したエネルギー回収技術の確立が求められている。   The temperature range of exhaust heat differs depending on the type, and the exhaust heat exhausted at subways and substations is relatively low, 200 ° C or less, while exhaust heat exhausted from garbage incineration plants and automobile exhaust. The heat is in a relatively high temperature range of approximately 300 to 600 ° C. For this reason, establishment of an energy recovery technique suitable for each temperature range is required.

300〜600℃の温度領域で使用可能な熱電変換材料として、スクッテルダイト化合物が知られている。スクッテルダイト化合物は、ラットリング効果を利用して低い熱伝導率を実現することが可能である。例えば非特許文献1には、スクッテルダイト化合物を用いた熱電変換材料として、ZT=1.9程度と高い熱電変換特性を示す材料が記載されている。   A skutterudite compound is known as a thermoelectric conversion material that can be used in a temperature range of 300 to 600 ° C. The skutterudite compound can realize a low thermal conductivity by utilizing the rattling effect. For example, Non-Patent Document 1 describes a material having a high thermoelectric conversion characteristic of about ZT = 1.9 as a thermoelectric conversion material using a skutterudite compound.

特開2004−253618号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2004-253618

G.Rogletal./ActaMaterialia vol.63(2014) pp30−43G. Rogletal. / ActaMateria vol. 63 (2014) pp30-43

特許文献1の熱電変換材料は、200℃以下の温度領域では高い熱電変換効率を得られるものの、例えば300℃を超える温度領域の熱電変換効率については、考慮されていなかった。   Although the thermoelectric conversion material of patent document 1 can obtain high thermoelectric conversion efficiency in a temperature range of 200 ° C. or lower, for example, the thermoelectric conversion efficiency in a temperature range exceeding 300 ° C. has not been considered.

一方、非特許文献1の熱電変換材料は、300〜600℃の温度領域において高い熱電変換効率を得られるものの、SbやAs等の毒性の強い元素を含むため、低環境負荷の実現は困難である。従って、低環境負荷及び低コストであり、かつ300℃を超える温度範囲を含む温度域において、高い熱電変換効率を得られる熱電変換材料が求められている。   On the other hand, although the thermoelectric conversion material of Non-Patent Document 1 can obtain high thermoelectric conversion efficiency in the temperature range of 300 to 600 ° C., it contains a highly toxic element such as Sb or As, and therefore it is difficult to realize a low environmental load. is there. Accordingly, there is a need for a thermoelectric conversion material that is low in environmental load and low in cost, and that can obtain high thermoelectric conversion efficiency in a temperature range including a temperature range exceeding 300 ° C.

そこで、本発明の目的は、低環境負荷及び低コスト化が可能であり、かつ高い熱電変換特性を得られる熱電変換材料及び熱電変換モジュールを得ることを目的とする。   SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to obtain a thermoelectric conversion material and a thermoelectric conversion module that can achieve low environmental load and low cost and can obtain high thermoelectric conversion characteristics.

本発明に係る熱電変換材料の好ましい実施形態としては、下記一般式(1)で表される化合物を含むことを特徴とする。
Reα8−βT’β12−μX’ μ12+γ・・・(1)
(式(1)中、0≦α≦2、0≦β≦8、−1≦γ≦1、−0.3≦μ≦0.3であり、Reは、Li、Na、K、Rb、Cs、Mg、Ca、Sr、Ba、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb及びLuからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、Tは、Co、Rh及びIrからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、T’は、Fe、Mn、Ni、Cr、V、Ti、Zr、Nb、Mo、Ru、Os、Re、W、Ta及びHfからなる選択される少なくとも1種の元素であり、Xは、Sn、Ge及びSiからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、X’は、Al、Ga、In、P、Sb及びBiからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、YはSである。)
本発明に係る熱電変換モジュールの好ましい実施形態としては、第1の熱電変換材料層と、前記第1の熱電変換材料層に隣接して設けられ、前記第1の熱電変換材料層とは導電型が異なる第2の熱電変換材料層と、前記第1の熱電変換材料層及び前記第2の熱電変換材料層に接触させて設けられた上部電極と、前記第1の熱電変換材料層及び前記第2の熱電変換材料層に、前記上部電極の設置面と反対側の面に接触させて設けられた下部電極と、を有し、前記第1の熱電変換材料層又は前記第2の熱電変換材料層の少なくとも一方は、下記一般式(1)で表される化合物を含む熱電変換材料により形成される層であることを特徴とする。
Reα8−βT’β12−μX’μ12+γ・・・(1)
(式(1)中、0≦α≦2、0≦β≦8、−1≦γ≦1、−0.3≦μ≦0.3であり、Reは、Li、Na、K、Rb、Cs、Mg、Ca、Sr、Ba、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb及びLuからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、Tは、Co、Rh及びIrからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、T’は、Fe、Mn、Ni、Cr、V、Ti、Zr、Nb、Mo、Ru、Os、Re、W、Ta及びHfからなる選択される少なくとも1種の元素であり、Xは、Sn、Ge及びSiからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、X’は、Al、Ga、In、P、Sb及びBiからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、YはSである。)
A preferred embodiment of the thermoelectric conversion material according to the present invention is characterized by including a compound represented by the following general formula (1).
Re α T 8-β T ′ β X 12-μ X ′ μ Y 12 + γ (1)
(In the formula (1), 0 ≦ α ≦ 2, 0 ≦ β ≦ 8, −1 ≦ γ ≦ 1, −0.3 ≦ μ ≦ 0.3, and Re is Li, Na, K, Rb, Selected from the group consisting of Cs, Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb and Lu At least one element, T is at least one element selected from the group consisting of Co, Rh and Ir, and T ′ is Fe, Mn, Ni, Cr, V, Ti, Zr, Nb , Mo, Ru, Os, Re, W, Ta and Hf, and X is at least one element selected from the group consisting of Sn, Ge and Si; X ′ is at least one element selected from the group consisting of Al, Ga, In, P, Sb and Bi. Yes, Y is S.)
As a preferred embodiment of the thermoelectric conversion module according to the present invention, a first thermoelectric conversion material layer and a first thermoelectric conversion material layer are provided adjacent to the first thermoelectric conversion material layer, and the first thermoelectric conversion material layer is a conductive type. Different thermoelectric conversion material layers, upper electrodes provided in contact with the first thermoelectric conversion material layer and the second thermoelectric conversion material layer, the first thermoelectric conversion material layer and the first thermoelectric conversion material layer A lower electrode provided in contact with the surface opposite to the surface on which the upper electrode is installed, and the first thermoelectric conversion material layer or the second thermoelectric conversion material. At least one of the layers is a layer formed of a thermoelectric conversion material containing a compound represented by the following general formula (1).
Re α T 8-β T ′ β X 12-μ X ′ μ Y 12 + γ (1)
(In the formula (1), 0 ≦ α ≦ 2, 0 ≦ β ≦ 8, −1 ≦ γ ≦ 1, −0.3 ≦ μ ≦ 0.3, and Re is Li, Na, K, Rb, Selected from the group consisting of Cs, Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb and Lu At least one element, T is at least one element selected from the group consisting of Co, Rh and Ir, and T ′ is Fe, Mn, Ni, Cr, V, Ti, Zr, Nb , Mo, Ru, Os, Re, W, Ta and Hf, and X is at least one element selected from the group consisting of Sn, Ge and Si; X ′ is at least one element selected from the group consisting of Al, Ga, In, P, Sb and Bi. Yes, Y is S.)

本発明によれば、低環境負荷及び低コスト化が可能であり、かつ高い熱電変換特性を得られる熱電変換材料及び熱電変換モジュールを実現することができる。   According to the present invention, it is possible to realize a thermoelectric conversion material and a thermoelectric conversion module that can be reduced in environmental load and cost and can obtain high thermoelectric conversion characteristics.

スクッテルダイト化合物の結晶構造を示す図である。It is a figure which shows the crystal structure of a skutterudite compound. スクッテルダイト化合物のバンド構造を示す図である。It is a figure which shows the band structure of a skutterudite compound. スクッテルダイト化合物のバンド構造を示す図である。It is a figure which shows the band structure of a skutterudite compound. スクッテルダイト化合物のバンド構造を示す図である。It is a figure which shows the band structure of a skutterudite compound. スクッテルダイト化合物のバンド構造を示す図である。It is a figure which shows the band structure of a skutterudite compound. ΔVECとゼーベック係数との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between (DELTA) VEC and a Seebeck coefficient. ΔVECとパワーファクターとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between (DELTA) VEC and a power factor. ΔVECとZTとの関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between (DELTA) VEC and ZT. 実施形態に係る熱電変換素子の一例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows an example of the thermoelectric conversion element which concerns on embodiment. 実施形態に係る熱電変換素子の一例を示す概略断面図である。It is a schematic sectional drawing which shows an example of the thermoelectric conversion element which concerns on embodiment. 実施形態に係る熱電変換モジュールの一例を示す概略全体斜視図である。It is a schematic whole perspective view which shows an example of the thermoelectric conversion module which concerns on embodiment. 実施形態に係るカスケード型の熱電変換モジュールの一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the cascade type thermoelectric conversion module which concerns on embodiment. 各元素の価電子数の表1を示す図である。It is a figure which shows Table 1 of the valence electron number of each element.

実施形態の熱電変換材料は、スクッテルダイト型結晶構造を有し、下記一般式(1)で表されるスクッテルダイト化合物を含有する。
Reα8−βT’β12−μX’ μ12+γ・・・(1)
(式(1)中、0≦α≦2、0≦β≦8、−1≦γ≦1、−0.3≦μ≦0.3であり、Reは、Li、Na、K、Rb、Cs、Mg、Ca、Sr、Ba、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb及びLuからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、Tは、Co、Rh及びIrからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、T’は、Fe、Mn、Ni、Cr、V、Ti、Zr、Nb、Mo、Ru、Os、Re、W、Ta及びHfからなる選択される少なくとも1種の元素であり、Xは、Sn、Ge及びSiからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、X’は、Al、Ga、In、P、Sb及びBiからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、YはSである。)
スクッテルダイト型の結晶構造は、空間群Im−3又は空間群R−3の対称性を有する結晶構造である。スクッテルダイト型の結晶構造を有する従来の熱電変換材料としては、例えばCoAsやCoSbが知られている。図1(a)に、CoAs又はCoSbの結晶構造を示し、図1(b)、図1(c)に、一般式(1)で表されるスクッテルダイト化合物の結晶構造を示す。
The thermoelectric conversion material of the embodiment has a skutterudite-type crystal structure and contains a skutterudite compound represented by the following general formula (1).
Re α T 8-β T ′ β X 12-μ X ′ μ Y 12 + γ (1)
(In the formula (1), 0 ≦ α ≦ 2, 0 ≦ β ≦ 8, −1 ≦ γ ≦ 1, −0.3 ≦ μ ≦ 0.3, and Re is Li, Na, K, Rb, Selected from the group consisting of Cs, Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb and Lu At least one element, T is at least one element selected from the group consisting of Co, Rh and Ir, and T ′ is Fe, Mn, Ni, Cr, V, Ti, Zr, Nb , Mo, Ru, Os, Re, W, Ta and Hf, and X is at least one element selected from the group consisting of Sn, Ge and Si; X ′ is at least one element selected from the group consisting of Al, Ga, In, P, Sb and Bi. Yes, Y is S.)
The skutterudite-type crystal structure is a crystal structure having symmetry of the space group Im-3 or the space group R-3. For example, CoAs 3 and CoSb 3 are known as conventional thermoelectric conversion materials having a skutterudite-type crystal structure. FIG. 1A shows the crystal structure of CoAs 3 or CoSb 3 , and FIGS. 1B and 1C show the crystal structure of the skutterudite compound represented by the general formula (1).

図1(a)に示す結晶構造は、遷移金属元素である元素T及び典型元素であるXVB=As、Sbにより構成されている。具体的には、例えばCoAs又はCoSbである。 The crystal structure shown in FIG. 1A is composed of an element T that is a transition metal element and X VB = As and Sb that are typical elements. Specifically, for example, CoAs 3 or CoSb 3 .

図1(b)に示す結晶構造は、図1(a)の元素XVBを、典型元素である元素X及び元素Yで置換した結晶構造であり、一般式T1212で表される。即ち、図1(b)に示す結晶構造は、上記一般式(1)において、α=0、β=0、γ=0、μ=0の場合である。具体的には、例えば図1(a)に示すCoAsのAsサイトを元素X=Sn、元素Y=Sで置換した、CoSn1.51.5の結晶構造が挙げられる。 The crystal structure shown in FIG. 1B is a crystal structure in which the element X VB in FIG. 1A is replaced with the typical element X and element Y, and is represented by the general formula T 8 X 12 Y 12. The That is, the crystal structure shown in FIG. 1B is a case where α = 0, β = 0, γ = 0, and μ = 0 in the general formula (1). Specifically, for example, a CoSn 1.5 S 1.5 crystal structure in which the As site of CoAs 3 shown in FIG. 1A is replaced with the element X = Sn and the element Y = S can be mentioned.

元素X=Sn、Ge、Si、元素Y=Sは、SbやAs等と異なり無害であり、安価で毒性の無い元素として、熱電変換材料として好適に用いることができる。すなわち、SbやAsを、Sn、Ge、Si、S等で置換したスクッテルダイト化合物を用いることで、低環境負荷でかつ安価な熱電変換材料の作製が可能となる。   The element X = Sn, Ge, Si, and the element Y = S are harmless unlike Sb, As, etc., and can be suitably used as a thermoelectric conversion material as an inexpensive and non-toxic element. That is, by using a skutterudite compound in which Sb or As is substituted with Sn, Ge, Si, S, or the like, it is possible to produce a thermoelectric conversion material that is low in environmental load and inexpensive.

熱電変換材料における熱電変換特性は、物質の電子状態に依存する。例えば、バンド構造において伝導体の底がフラットなバンド形状を有しており、有効質量の重い結晶構造は、高い熱起電力を得られる可能性が高く、熱電変換材料として高いポテンシャルを有している。   The thermoelectric conversion characteristics of the thermoelectric conversion material depend on the electronic state of the substance. For example, the bottom of the conductor in the band structure has a flat band shape, and a crystal structure with a heavy effective mass is likely to obtain a high thermoelectromotive force, and has a high potential as a thermoelectric conversion material. Yes.

上記した観点から、従来熱電変換材料として用いられてきた、CoSbやCoAs等のスクッテルダイト化合物におけるSbやAs等を、無毒なSやSn等に置換した図1(b)に示すスクッテルダイト型結晶構造において、さらに元素置換や元素ドープを行い、化合物としての電子状態を制御する(図1(c)参照)。 From the above viewpoint, Sb and As in a skutterudite compound such as CoSb 3 and CoAs 3 that have been conventionally used as thermoelectric conversion materials are replaced with non-toxic S and Sn or the like as shown in FIG. In the terdite type crystal structure, element substitution or element doping is further performed to control the electronic state of the compound (see FIG. 1C).

具体的には、例えばCoSn1.51.5(図1(b)参照)のCo=元素Tの一部を、例えばFe等の、遷移金属元素である元素T´で置換したり、スクッテルダイト型結晶構造の籠状サイトに、アルカリ金属元素、アルカリ土類金属元素、又は希土類元素である元素Reを添加することにより、スクッテルダイト化合物の電子状態を変調し、熱電変換特性を制御することが可能である。 Specifically, for example, a part of Co = element T in CoSn 1.5 S 1.5 (see FIG. 1B) is replaced with an element T ′ which is a transition metal element such as Fe, By adding the element Re, which is an alkali metal element, alkaline earth metal element, or rare earth element, to the cage-like site of the skutterudite crystal structure, the electronic state of the skutterudite compound is modulated, and the thermoelectric conversion characteristics are improved. It is possible to control.

図1(c)に示す結晶構造は、図1(b)に示す結晶構造の元素Tの一部を元素T’で置換すると共に、図1(b)に示す結晶構造に、元素Reを添加した結晶構造であり、遷移金属元素のサイト(Tサイト及びT’サイト)を8個、典型元素のサイト(Xサイト及びYサイト)を計24個、希土類元素、アルカリ土類金属元素又はアルカリ金属元素のサイト(Reサイト)を2個有している。従って、図1(c)に示す結晶構造は、一般式Reα8−βT’β1212(0≦α≦2、0≦β≦8)で表される。即ち、図1(c)に示す結晶構造は、一般式(1)において、γ=0、μ=0の場合である。具体的には、例えばCoSn1.51.5の結晶構造の空間に、希土類元素等の元素Reを添加した結晶構造である。 In the crystal structure shown in FIG. 1C, part of the element T in the crystal structure shown in FIG. 1B is replaced with the element T ′, and the element Re is added to the crystal structure shown in FIG. Crystal structure, 8 transition metal element sites (T site and T ′ site), 24 typical element sites (X site and Y site), rare earth element, alkaline earth metal element or alkali metal It has two element sites (Re sites). Accordingly, the crystal structure shown in FIG. 1C is represented by the general formula Re α T 8−β T ′ β X 12 Y 12 (0 ≦ α ≦ 2, 0 ≦ β ≦ 8). That is, the crystal structure shown in FIG. 1C is a case where γ = 0 and μ = 0 in the general formula (1). Specifically, for example, a crystal structure in which an element Re such as a rare earth element is added to a space of a crystal structure of CoSn 1.5 S 1.5 .

一般式(1)において、元素Yの元素数は、基本的には、元素Xの元素数と元素X´の元素数の合計数12と同等の元素数とする。但し、元素X又は元素X´として選択した元素の種類に応じて、元素Yの元素数を−1≦γ≦1の範囲内で適宜調整し、化合物全体の価電子数を調整するようにしてもよい。   In the general formula (1), the number of elements Y is basically the same as the total number 12 of the elements X and X ′. However, according to the type of the element selected as the element X or the element X ′, the number of elements Y is appropriately adjusted within the range of −1 ≦ γ ≦ 1, and the number of valence electrons of the entire compound is adjusted. Also good.

図2(a)に、第一原理計算によって得られた、スクッテルダイト型結晶構造を有するCoSbのバンド構造を示す。図2(a)に示すように、CoSbのバンド構造は、Coの3d軌道に由来した局在性の強い電子状態を反映しており、伝導帯の底近傍はフラットなバンド形状となっている。 FIG. 2A shows the band structure of CoSb 3 having a skutterudite-type crystal structure obtained by the first principle calculation. As shown in FIG. 2A, the band structure of CoSb 3 reflects a highly localized electronic state derived from the 3d orbital of Co, and the vicinity of the bottom of the conduction band has a flat band shape. Yes.

図2(b)に、第一原理計算によって得られた、スクッテルダイト型結晶構造を有するCoSn1.51.5のバンド構造を示す。CoSn1.51.5も、CoSbと同様、半導体的なバンド構造を示しており、伝導帯の底は、比較的分散関係の少ないフラットに近いバンド形状となっている。即ち、CoSn1.51.5は、CoSbと同様、熱電変換材料として高い熱起電力を得られる可能性がある。 FIG. 2B shows a band structure of CoSn 1.5 S 1.5 having a skutterudite type crystal structure obtained by the first principle calculation. CoSn 1.5 S 1.5 also shows a semiconductor band structure like CoSb 3, and the bottom of the conduction band has a band shape close to a flat with relatively little dispersion relation. That is, CoSn 1.5 S 1.5 , like CoSb 3 , may have a high thermoelectromotive force as a thermoelectric conversion material.

図3A〜図3Cに、所定の結晶構造から、元素置換又は元素ドープして得られた種々のスクッテルダイト化合物について、第一原理計算によって得られたバンド構造を示す。例えば図3A(i)のLa0.5FeCoSnのLaを、同族でより軽い元素であるY、Scに変えることで、バンド構造における伝導帯の底近傍は、フラットなバンド形状を維持しつつ、低エネルギー側に変位していることが確認できる(図3A(ii)(iii))。 3A to 3C show band structures obtained by first-principles calculations for various skutterudite compounds obtained by element substitution or element doping from a predetermined crystal structure. For example, by changing La 0.5 Fe 2 Co 2 Sn 6 S 6 La in FIG. 3A (i) to Y and Sc, which are lighter elements of the same family, the vicinity of the bottom of the conduction band in the band structure is flat. While maintaining the band shape, it can be confirmed that the band is displaced toward the low energy side (FIGS. 3A (ii) (iii)).

また、例えば図3A(iv)のBa0.5FeCoSnのBaを、Srに変えることにより、バンド構造における伝導帯の底近傍は、希土類元素を変化させた場合と比較するとその変動幅は若干小さいものの、フラットなバンド形状を維持しつつ、若干高エネルギー側に変位していることが確認できる(図3A(v))。 Further, for example, by changing Ba 0.5 Fe 2 Co 2 Sn 6 S 6 Ba in FIG. 3A (iv) to Sr, the vicinity of the bottom of the conduction band in the band structure is compared with the case where the rare earth element is changed. Then, although the fluctuation range is slightly small, it can be confirmed that the band is slightly displaced toward the high energy side while maintaining the flat band shape (FIG. 3A (v)).

従って、添加元素である元素Reの種類を変化させることで、N型の熱電変換特性を好適な状態に調整できることが確認できる。   Therefore, it can be confirmed that the N-type thermoelectric conversion characteristics can be adjusted to a suitable state by changing the type of the additive element Re.

また、例えば図3A(i)のLa0.5FeCoSnにおいて、元素ReであるLaと元素T´であるFeとの比率を変化させて、LaFeCoSn(図3B(i)参照)とすることで、バンド構造における伝導帯の底近傍は、フラットなバンド形状を維持しつつ、低エネルギー側に変位していることが確認できる。 Further, for example, in La 0.5 Fe 2 Co 2 Sn 6 S 6 in FIG. 3A (i), the ratio of La as the element Re and Fe as the element T ′ is changed to change LaFe 2 Co 2 Sn 6 S. 6 (see FIG. 3B (i)), it can be confirmed that the vicinity of the bottom of the conduction band in the band structure is displaced toward the low energy side while maintaining a flat band shape.

また、例えば図3A(i)のLa0.5FeCoSnにおけるCoとFeとの比率を、Co:Fe=1:1からCo:Fe=1:3に変化させて、La0.5CoFeSn(図3C(i)参照)とすることで、バンド構造が大幅に変化していることが確認できる。 For example, the ratio of Co and Fe in La 0.5 Fe 2 Co 2 Sn 6 S 6 in FIG. 3A (i) is changed from Co: Fe = 1: 1 to Co: Fe = 1: 3, By using La 0.5 CoFe 3 Sn 6 S 6 (see FIG. 3C (i)), it can be confirmed that the band structure has changed significantly.

以上図3A〜図3Cで示したように、スクッテルダイト型結晶構造の空間に、例えば元素Reを添加したり、元素Tの一部を元素T´によって置換したりして、電子状態を制御することにより、熱電変換特性を好適な範囲に調整することが可能である。   As described above with reference to FIGS. 3A to 3C, for example, the element Re is added to the space of the skutterudite crystal structure, or a part of the element T is replaced with the element T ′ to control the electronic state. By doing so, it is possible to adjust the thermoelectric conversion characteristics within a suitable range.

熱電変換特性の調整には、例えば上記した元素置換や元素ドープによるキャリア密度の制御が必要であり、その評価指標として、価電子数密度(VEC)の変化量ΔVEC(以下、価電子数変化ΔVECと示す)を用いることができる。価電子数変化ΔVECは、組成制御を行う前の組成の価電子数密度(VEC)からのVECの変化量である。   Adjustment of the thermoelectric conversion characteristics requires, for example, control of the carrier density by element substitution or element doping as described above. As an evaluation index, the amount of change in valence number density (VEC) ΔVEC (hereinafter referred to as valence electron number change ΔVEC). Can be used. The valence number change ΔVEC is a change amount of VEC from the valence number density (VEC) of the composition before the composition control.

例えば一般式Reα8−βT’β1212において、元素Tのサイトの一部を元素T’で置換するときの、Reα1212からの価電子数変化ΔVECは、元素Tの価電子数をn、元素T’の価電子数をnT’とすると、ΔVEC=(nT’−n)×βで求められる。例えば元素T=Co、元素T’=Feとし、元素Reを添加しない場合(α=0)、元素Tを元素T’により置換するときの価電子数変化ΔVECは、nT’=8、n=9であるため、ΔVEC=(nT’−n)×β=(8−9)×β=−βとなる。即ち、ΔVECは、FeによりCoを置換する量に依存する。 For example 'in beta X 12 Y 12, a part of the site of the element T element T' formula Re alpha T 8-beta T when substituting the valence number change ΔVEC from Re α T 8 X 12 Y 12 It is the valence number n T of the element T, when 'the number of valence electrons of n T' element T and is determined by ΔVEC = (n T '-n T ) × β. For example, when the element T = Co and the element T ′ = Fe and the element Re is not added (α = 0), the valence electron change ΔVEC when the element T is replaced by the element T ′ is n T ′ = 8, n Since T = 9, ΔVEC = (n T ′ −n T ) × β = (8−9) × β = −β. That is, ΔVEC depends on the amount of Co substituted by Fe.

また、例えば一般式ReαCoSn1212において、Reαを添加するときの、CoSn1212からの価電子数変化ΔVECは、元素Reの価電子数をnReとすると、ΔVEC=α×nReで求められる。具体的には、例えばLa、Y、Scの価電子数nRe=3、アルカリ土類元素の価電子数nRe=2、又はアルカリ金属元素の価電子数nRe=1を、適宜α×nReに代入することで求めることができる。従って、この場合の価電子数変化ΔVECは、Reサイトに添加される元素の価電子数に依存する。 Further, for example, in the general formula Re α Co 8 Sn 12 S 12 , when the addition of Re alpha, valence number change ΔVEC from Co 8 Sn 12 S 12, when the number of valence electrons of the element Re and n Re, ΔVEC = α × n Re . Specifically, for example La, Y, valence number n Re = 3 of Sc, valence electron number n Re = 2 for alkaline earth elements, or the number of valence electrons n Re = 1 for alkali metal elements, appropriately alpha × It can be obtained by substituting for n Re . Therefore, the valence electron change ΔVEC in this case depends on the valence electron number of the element added to the Re site.

フェルミレベルの制御による熱電変換特性の制御の可能性を検討するため、以下の評価を行った。なお、熱電変換材料の性能は、下記式(2)の無次元性能指数(ZT)で評価される。   In order to investigate the possibility of controlling the thermoelectric conversion characteristics by controlling the Fermi level, the following evaluation was performed. In addition, the performance of the thermoelectric conversion material is evaluated by a dimensionless figure of merit (ZT) of the following formula (2).

Figure 2018019014
上記式(2)において、σは電気伝導率、Sはゼーベック係数、κは熱伝導率、Sσはパワーファクターである。一般に、ZTが高いものほど性能が良いため、式(2)より、ゼーベック係数及び電気伝導率が高く、熱伝導率の低い材料が熱電変換材料として望ましい。
Figure 2018019014
In the above formula (2), σ is the electrical conductivity, S is the Seebeck coefficient, κ is the thermal conductivity, and S 2 σ is the power factor. In general, the higher the ZT, the better the performance. Therefore, from Equation (2), a material having a high Seebeck coefficient and electrical conductivity and a low thermal conductivity is desirable as the thermoelectric conversion material.

LaCoFeSn、YCoFeSn、ScCoFeSn、BaFeCoSn、SrFeCoSn、CaFeCoSn、Ba0.5FeCoSn、CoSn1.51.5の各スクッテルダイト化合物について、それぞれ第一原理計算によって価電子数を変化させたときのゼーベック係数の変化を検討した。評価結果を図4に示す。 LaCoFe 3 Sn 6 S 6, YCoFe 3 Sn 6 S 6, ScCoFe 3 Sn 6 S 6, BaFe 2 Co 2 Sn 6 S 6, SrFe 2 Co 2 Sn 6 S 6, CaFe 2 Co 2 Sn 6 S 6, Ba 0 For the skutterudite compounds of .5 FeCo 3 Sn 6 S 6 and CoSn 1.5 S 1.5 , the change in Seebeck coefficient when the number of valence electrons was changed by first-principles calculation was examined. The evaluation results are shown in FIG.

図4(a)は、500Kにおける、各スクッテルダイト化合物の価電子数変化ΔVECとゼーベック係数との関係を示す図であり、図4(b)は、800Kにおける、各スクッテルダイト化合物の価電子数変化ΔVECとゼーベック係数との関係を示す図である。   FIG. 4 (a) is a diagram showing the relationship between the valence electron number change ΔVEC and Seebeck coefficient of each skutterudite compound at 500K, and FIG. 4 (b) is the valence of each skutterudite compound at 800K. It is a figure which shows the relationship between electron number change (DELTA) VEC and a Seebeck coefficient.

なお、図4(a)(b)において、価電子数変化ΔVECは、図1(b)又は図1(c)に示すユニットセル(conventional unit cell)当たりの価電子数変化を示しており、それぞれ、元素置換や元素ドープによって、上記した各スクッテルダイト化合物からキャリア密度を変化させたときのΔVECの値を、第1原理計算により算出したものである。この点は、後述する図5及び図6においても同様である。   In FIGS. 4 (a) and 4 (b), the valence electron number change ΔVEC indicates the valence electron number change per unit cell shown in FIG. 1 (b) or 1 (c). The values of ΔVEC when the carrier density is changed from each skutterudite compound by element substitution or element doping are calculated by the first principle calculation. This also applies to FIGS. 5 and 6 described later.

図4において、ΔVECの調整は、以下のようにして行うことができる。図11の表1に、各元素の価電子数を示す。例えばCoSn1.51.5の場合、Co1−xFeSn1.51.5のようにCoの一部をFeで置換することにより、価電子数を変化させることができる。図11に示すように、Feの価電子数は8であり、Coの価電子数は9であるため、Coの一部をFeで置換することで系の総価電子数は減少する。例えば組成式Co8−xFeSn1212の場合には、CoSn1.51.5からの価電子数変化ΔVEC=−xとなる。このため、Co8−xFeSn1212において、FeによるCoの置換量xを変化させることにより、系の総価電子数を調整し、ΔVECを、ΔVEC≦0の範囲で調整することが可能である。 In FIG. 4, ΔVEC can be adjusted as follows. Table 1 in FIG. 11 shows the number of valence electrons of each element. For example, in the case of CoSn 1.5 S 1.5, a part of the Co as Co 1-x Fe x Sn 1.5 S 1.5 by replacing Fe, it is possible to change the number of valence electrons . As shown in FIG. 11, since Fe has 8 valence electrons and Co has 9 valence electrons, the total valence electron number of the system is reduced by replacing part of Co with Fe. For example, in the case of formula Co 8-x Fe x Sn 12 S 12 is a valence number change ΔVEC = -x from CoSn 1.5 S 1.5. Therefore, the Co 8-x Fe x Sn 12 S 12, by varying the substitution amount x of Co by Fe, and adjust the total number of valence electrons of the system, the DerutaVEC, be adjusted in the range of ΔVEC ≦ 0 Is possible.

また、CoSn1.51.5を、Coより価電子数の多いNi(価電子数10)で置換したCo8−xNiSn1212では、CoSn1.51.5からの価電子数変化ΔVEC=xとなる。このため、Co8−xNiSn1212において、NiによるCoの置換量xを変化させることにより、系の総価電子数を調整し、ΔVECを、ΔVEC≧0の範囲で調整することが可能である。 Further, the CoSn 1.5 S 1.5, the Co 8-x Ni x Sn 12 S 12 was replaced with more number of valence electrons than Co Ni (valence number 10), the CoSn 1.5 S 1.5 The change in the number of valence electrons ΔVEC = x. For this reason, in Co 8-x Ni x Sn 12 S 12 , the total valence electron number of the system is adjusted by changing the amount x of substitution of Co by Ni, and ΔVEC is adjusted in the range of ΔVEC ≧ 0. Is possible.

また、LaCoFeSnの場合には、例えばLa2−xBaCoFeSn1212のように、Laの一部をBaで置換することにより、系の総価電子数を調整することができる。図11に示すように、Laの価電子数は3であり、Baの価電子数は2であるため、LaをBaで置換することで系の総価電子数は減少する。例えば上記組成式La2−xBaCoFeSn1212の場合には、LaCoFeSnからの価電子数変化ΔVEC=−xとなる。このため、La2−xBaCoFeSn1212において、LaによるBaの置換量xを変化させることにより、系の総価電子数を調整し、ΔVECを、ΔVEC≦0の範囲で調整することが可能である。 Further, in the case of LaCoFe 3 Sn 6 S 6 , the total valence electrons of the system can be obtained by substituting a part of La with, for example, La 2-x Ba x Co 2 Fe 6 Sn 12 S 12. Can be adjusted. As shown in FIG. 11, since La has 3 valence electrons and Ba has 2 valence electrons, replacing La with Ba reduces the total number of valence electrons in the system. For example, in the case of the composition formula La 2−x Ba x Co 2 Fe 6 Sn 12 S 12 , the valence number change ΔVEC = −x from LaCoFe 3 Sn 6 S 6 is obtained. For this reason, in La 2−x Ba x Co 2 Fe 6 Sn 12 S 12 , the substitution amount x of Ba by La is changed to adjust the total valence electron number of the system, and ΔVEC is in a range of ΔVEC ≦ 0. It is possible to adjust with.

また、LaCoFeSnの価電子数の調整は、例えばLaCo2+xFe6−xSn1212のように、Co量を増加させることにより行うこともできる。この場合、LaCoFeSnからの価電子数変化ΔVEC=xとなる。このため、LaCo2+xFe6−xSn1212において、CoによるFeの置換量xを変化させることにより、系の総価電子数を調整し、価電子数変化ΔVECを、ΔVEC≧0の範囲で調整することが可能である。 The adjustment of the valence number of LaCoFe 3 Sn 6 S 6 can also be performed by increasing the amount of Co, such as La 2 Co 2 + x Fe 6-x Sn 12 S 12 . In this case, the change in the number of valence electrons from LaCoFe 3 Sn 6 S 6 is ΔVEC = x. For this reason, in La 2 Co 2 + x Fe 6-x Sn 12 S 12 , the total valence electron number of the system is adjusted by changing the substitution amount x of Fe by Co, and the change in valence number ΔVEC becomes ΔVEC ≧ 0 It is possible to adjust within the range.

図4(a)及び図4(b)に示すように、ΔVEC<0の場合、即ちP型の熱電変換特性を示す場合、ゼーベック係数は正の値を示しており、いずれも高い絶対値を示した。中でも、CaCoFeSn、SrCoFeSn、BaCoFeSn、LaCoFeSnは、−1.0≦ΔVEC<0の範囲で価電子数を調整することにより、500Kにおいて最大300V/Kを超えるゼーベック係数を得られており、優れた熱電変換特性が期待される。 As shown in FIG. 4A and FIG. 4B, when ΔVEC <0, that is, when P-type thermoelectric conversion characteristics are shown, the Seebeck coefficient shows a positive value, and both have high absolute values. Indicated. Among them, CaCo 2 Fe 2 Sn 6 S 6 , SrCo 2 Fe 2 Sn 6 S 6 , BaCo 2 Fe 2 Sn 6 S 6 , and LaCoFe 3 Sn 6 S 6 are in the range of −1.0 ≦ ΔVEC <0. By adjusting the number, a Seebeck coefficient exceeding 300 V / K at the maximum at 500K was obtained, and excellent thermoelectric conversion characteristics are expected.

また、ΔVEC>0の場合、即ちN型の熱電特性を示す場合、ゼーベック係数は負の値を示しており、いずれも高い絶対値を示した。中でもCoSn1.51.5は、0<ΔVEC≦1.0の範囲で価電子数を調整することにより、500K及び800Kのいずれにおいても、ゼーベック係数について高い絶対値を得られており、高い熱電変換特性が期待される。 Further, when ΔVEC> 0, that is, when an N-type thermoelectric characteristic was exhibited, the Seebeck coefficient showed a negative value, and both showed high absolute values. Among them, CoSn 1.5 S 1.5 has obtained a high absolute value for the Seebeck coefficient in both 500K and 800K by adjusting the number of valence electrons in the range of 0 <ΔVEC ≦ 1.0. High thermoelectric conversion characteristics are expected.

LaCoFeSn、YCoFeSn、ScCoFeSn、BaFeCoSn、SrFeCoSn、CaFeCoSn、Ba0.5FeCoSn、CoSn1.51.5の各スクッテルダイト化合物について、それぞれ第一原理計算によって価電子数を変化させたときのパワーファクターのΔVEC依存性を検討した。評価結果を図5に示す。 LaCoFe 3 Sn 6 S 6, YCoFe 3 Sn 6 S 6, ScCoFe 3 Sn 6 S 6, BaFe 2 Co 2 Sn 6 S 6, SrFe 2 Co 2 Sn 6 S 6, CaFe 2 Co 2 Sn 6 S 6, Ba 0 For the skutterudite compounds of .5 FeCo 3 Sn 6 S 6 and CoSn 1.5 S 1.5 , the ΔVEC dependence of the power factor when the number of valence electrons was changed by first-principles calculation was examined. The evaluation results are shown in FIG.

図5(a)は、500Kにおける、各スクッテルダイト化合物の価電子数変化ΔVECとパワーファクターとの関係を示す図であり、図5(b)は、800Kにおける、各スクッテルダイト化合物の価電子数変化ΔVECとパワーファクターとの関係を示す図である。   FIG. 5 (a) is a diagram showing the relationship between the valence electron number change ΔVEC and power factor of each skutterudite compound at 500K, and FIG. 5 (b) shows the valence of each skutterudite compound at 800K. It is a figure which shows the relationship between electron number change (DELTA) VEC and a power factor.

図5(a)及び図5(b)に示すように、ΔVEC<0の場合、即ちP型の熱電変換特性を示す場合、いずれのスクッテルダイト化合物も高いパワーファクターを示した。中でも、LaCoFeSn、YCoFeSnは、−1.0≦ΔVEC<0の範囲で価電子数を調整することにより、500K、800Kのいずれにおいても、ΔVEC<0において高いパワーファクターを得られており、P型熱電変換材料として高い熱電変換性能を期待できる。 As shown in FIGS. 5A and 5B, when ΔVEC <0, that is, when P-type thermoelectric conversion characteristics are exhibited, all of the skutterudite compounds showed a high power factor. Among them, LaCoFe 3 Sn 6 S 6 and YCoFe 3 Sn 6 S 6 are high at ΔVEC <0 in both 500K and 800K by adjusting the number of valence electrons in the range of −1.0 ≦ ΔVEC <0. A power factor has been obtained, and high thermoelectric conversion performance can be expected as a P-type thermoelectric conversion material.

一方、図5に示すように、ΔVEC>0の場合、即ちN型の熱電変換特性を示す場合、いずれも高いパワーファクターを示した。中でも、CoSn1.51.5及びBa0.5FeCoSnは、0<ΔVEC≦1.0の範囲で価電子数を調整することにより、高いパワーファクターを得られており、N型熱電変換材料として、高い熱電変換性能が期待できる。 On the other hand, as shown in FIG. 5, when ΔVEC> 0, that is, when N-type thermoelectric conversion characteristics are exhibited, all showed a high power factor. Among them, CoSn 1.5 S 1.5 and Ba 0.5 FeCo 3 Sn 6 S 6 have a high power factor by adjusting the number of valence electrons within the range of 0 <ΔVEC ≦ 1.0. As an N-type thermoelectric conversion material, high thermoelectric conversion performance can be expected.

図4及び図5に示すように、P型熱電変換材料としては、例えばLaCoFeSnのように、一般式(1)において、β≧4のとき、即ち遷移金属元素としてCoよりもFeを多く含むときに、価電子数制御により高い熱電変換性能が得られ易い。一方、N型熱電変換材料としては、例えばCoSn1.51.5やBa0.5FeCoSnのように、一般式(1)において、β≦4のとき、即ち遷移金属元素として、FeよりもCoを多く含むときに、価電子数制御により高い熱電変換性能が得られ易い。 As shown in FIG. 4 and FIG. 5, as a P-type thermoelectric conversion material, for example, LaCoFe 3 Sn 6 S 6 , when β ≧ 4 in the general formula (1), that is, more than Co as a transition metal element When a large amount of Fe is contained, high thermoelectric conversion performance is easily obtained by controlling the number of valence electrons. On the other hand, as an N-type thermoelectric conversion material, for example, CoSn 1.5 S 1.5 or Ba 0.5 FeCo 3 Sn 6 S 6 , when β ≦ 4 in the general formula (1), that is, a transition metal When the element contains more Co than Fe, high thermoelectric conversion performance is easily obtained by controlling the number of valence electrons.

LaCoFeSn、YCoFeSn、ScCoFeSn、BaFeCoSn、SrFeCoSn、CaFeCoSn、Ba0.5FeCoSn、CoSn1.51.5の各スクッテルダイト化合物について、それぞれ第一原理計算によって価電子数を変化させたときの、800KにおけるZTのΔVEC依存性を検討した。評価結果を図6に示す。図6に示すように、いずれのスクッテルダイト化合物も、ΔVECの値が±0.3の範囲内にあるときに、ZTが高い値を示している。 LaCoFe 3 Sn 6 S 6, YCoFe 3 Sn 6 S 6, ScCoFe 3 Sn 6 S 6, BaFe 2 Co 2 Sn 6 S 6, SrFe 2 Co 2 Sn 6 S 6, CaFe 2 Co 2 Sn 6 S 6, Ba 0 .5 FeCO 3 Sn 6 S 6 , CoSn 1.5 S 1.5 for skutterudite compounds, the ΔVEC dependence of ZT at 800 K when the number of valence electrons was changed by first-principles calculation did. The evaluation results are shown in FIG. As shown in FIG. 6, all of the skutterudite compounds show high values of ZT when the value of ΔVEC is within a range of ± 0.3.

各スクッテルダイト化合物Reα8−βT’β1212+γにおける価電子数の調整は、前述したように、α、βの値をそれぞれ0≦α≦2、0≦β≦8の範囲で調整する、又は元素Re、元素T、元素T’、元素X、元素Yの種類を、それぞれ上記に列挙した元素の中から適宜選択して変えることにより行うことができる。 As described above, the adjustment of the number of valence electrons in each skutterudite compound Re α T 8-β T ′ β X 12 Y 12 + γ is such that the values of α and β are 0 ≦ α ≦ 2 and 0 ≦ β ≦ 8, respectively. Adjustment can be made within the range, or the type of element Re, element T, element T ′, element X, and element Y can be appropriately selected from the elements listed above and changed.

また、価電子数の調整は、一般式(1)(Reα8−βT’β12−μX’ μ12+γ)に示すように、一般式Reα8−βT’β1212+γにおける元素Xの一部を、他の元素X’により置換することにより行ってもよい。上記したように、一般式(1)において、元素X’は、Al、Ga、In、P、Sb及びBiからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、μは、−0.3≦μ≦0.3である。 The adjustment of the number of valence electrons of the general formula (1) as shown in (Re α T 8-β T 'β X 12-μ X' μ Y 12 + γ), the general formula Re α T 8-β T ' β Alternatively, a part of the element X in X 12 Y 12 + γ may be replaced with another element X ′. As described above, in the general formula (1), the element X ′ is at least one element selected from the group consisting of Al, Ga, In, P, Sb, and Bi, and μ is −0.3. ≦ μ ≦ 0.3.

以上説明したスクッテルダイト化合物は、各化合物の構成元素を含む原料粉末を、例えばメカニカルアロイング法により混合した後、必要に応じて熱処理することで得ることができる。また、上記に説明したスクッテルダイト化合物は、例えば、各化合物の構成元素を含むターゲット材を用いてスパッタリングすることにより、薄膜として得ることも可能である。   The skutterudite compound described above can be obtained by mixing the raw material powder containing the constituent elements of each compound by, for example, mechanical alloying and then heat-treating it as necessary. Moreover, the skutterudite compound demonstrated above can also be obtained as a thin film by sputtering using the target material containing the structural element of each compound, for example.

熱電変換材料としては、上記したスクッテルダイト化合物のナノ粒子を主相とし、このナノ粒子の粒界に、主相のスクッテルダイト化合物とは異なる組成を有する粒界相が形成されたものとしてもよい。粒界相は、P、Sb、Mg、Al、Cu、Ga、Na、Li、K、Sn及びBiからなる群から選択される少なくとも1種の元素を含むことが好ましい。   As the thermoelectric conversion material, the above-mentioned skutterudite compound nanoparticles are used as the main phase, and the grain boundary phase having a composition different from that of the main phase skutterudite compound is formed at the grain boundaries of the nanoparticles. Also good. The grain boundary phase preferably contains at least one element selected from the group consisting of P, Sb, Mg, Al, Cu, Ga, Na, Li, K, Sn, and Bi.

このような粒界相を有する熱電変換材料は、例えばMgAl、MgAlCu等の、粒界相の構成元素を含む粉末材料と、スクッテルダイト化合物の原料粉末とを、メカニカルアロイング法により混合した後、焼成することにより得ることができる。 The thermoelectric conversion material having such a grain boundary phase is, for example, a powder material containing a constituent element of a grain boundary phase, such as MgAl 2 and MgAlCu, and a raw material powder of a skutterudite compound mixed by a mechanical alloying method. Then, it can obtain by baking.

これにより、スクッテルダイト化合物のナノ粒子の粒界に、P、Sb、Mg、Al、Cu、Ga、Na、Li、K、Sn及びBiからなる群から選択される少なくとも1種の元素を含む粒界相が形成された熱電変換材料を得ることができる。このような粒界相を有する熱電変換材料は、粒界相を有しない熱電変換材料と比較して、電気伝導率が高められ、より高いZTを有する熱電変換材料を得ることができる。   Accordingly, at least one element selected from the group consisting of P, Sb, Mg, Al, Cu, Ga, Na, Li, K, Sn, and Bi is included in the grain boundaries of the skutterudite compound nanoparticles. A thermoelectric conversion material in which a grain boundary phase is formed can be obtained. A thermoelectric conversion material having such a grain boundary phase has a higher electric conductivity and a thermoelectric conversion material having a higher ZT than a thermoelectric conversion material having no grain boundary phase.

スクッテルダイト化合物のナノ粒子の粒径は、1〜500nmであることが好ましい。ナノ粒子の粒径を500nm以下とすることで、スクッテルダイト化合物の粒子として高い表面積を得ることができ、十分な熱電変換効率を得ることができる。また、スクッテルダイト化合物のナノ粒子の粒径を、1nm以上とすることで、製造工程の煩雑化を防止することができる。   The particle size of the nanoparticles of the skutterudite compound is preferably 1 to 500 nm. By setting the particle diameter of the nanoparticles to 500 nm or less, a high surface area can be obtained as the skutterudite compound particles, and sufficient thermoelectric conversion efficiency can be obtained. Moreover, complication of a manufacturing process can be prevented by making the particle diameter of the nanoparticles of a skutterudite compound 1 nm or more.

上記した実施形態に係る熱電変換材料は、573K以上の温度範囲において、後述する熱電変換素子として好適に使用することができる。例えば、自動車のエンジン排熱は、573〜873Kと比較的高温である。実施形態に係る熱電変換材料は、このような比較的高温域の排熱を、効率的に回収利用することができる。   The thermoelectric conversion material according to the above-described embodiment can be suitably used as a thermoelectric conversion element to be described later in a temperature range of 573 K or higher. For example, the engine exhaust heat of a car is relatively high at 573 to 873K. The thermoelectric conversion material according to the embodiment can efficiently recover and utilize such a relatively high temperature exhaust heat.

熱電変換材料の結晶構造は、X線回折(XRD)によって容易に確認ができる。また、TEM(Transmission Electron Miroscop)などの電子顕微鏡により、格子像を観察することや電子線回折像においてスポット状パターンやリング状パターンから単結晶若しくは多結晶の結晶構造を確認することができる。組成分布はEDX(Energy Dispersive X−ray spectroscopy)などのEPMA(Electron Probe MicroAnalyser)や、SIMS(Secondary Ionization Mass Spectrometer)、X線光電子分光、ICP(Inductively Coupled Plasma)などの手法を用いて確認できる。また、材料の状態密度の情報に関しては、紫外線光電子分光法やX線光電子分光などによって確認できる。電気伝導率及びキャリア密度は4端子法を用いた電気測定及びホール効果測定によって確認できる。ゼーベック係数は、試料両端に温度差をつけ、両端の電圧差を測定することによって確認できる。熱伝導率はレーザーフラッシュ法によって確認できる。   The crystal structure of the thermoelectric conversion material can be easily confirmed by X-ray diffraction (XRD). Further, a lattice image can be observed with an electron microscope such as TEM (Transmission Electron Microscope), and a single crystal or polycrystal structure can be confirmed from a spot-like pattern or a ring-like pattern in an electron beam diffraction image. The composition distribution is EPMA (Electron Probe Micro Analyzer) such as EDX (Energy Dispersive X-ray spectroscopy), SIMS (Secondary Ionization Mass Spectro), P Information on the state density of the material can be confirmed by ultraviolet photoelectron spectroscopy or X-ray photoelectron spectroscopy. The electrical conductivity and carrier density can be confirmed by electrical measurement and Hall effect measurement using a 4-terminal method. The Seebeck coefficient can be confirmed by giving a temperature difference to both ends of the sample and measuring the voltage difference between both ends. The thermal conductivity can be confirmed by a laser flash method.

以下、実施形態に係る熱電変換材料の試料作製の一例を示す。ここで作製例は一例であって、当該作製条件に限定されるものではないことは云うまでも無い。   Hereinafter, an example of sample preparation of the thermoelectric conversion material according to the embodiment will be shown. Here, the manufacturing example is an example, and it is needless to say that the manufacturing condition is not limited thereto.

<実験例>
(試料作製例1)
純度99.9%のCo粉末とSnS粉末とを2:3の組成比となる割合で混合し、メカニカルアロイング法により、CoSn1.51.5の組成を有する合金粉末を作製した。CoSn1.51.5は、CoAsのAsサイトをSnとSで置換した結晶構造であり、CoAsからの価電子数変化ΔVECは、約0である。
<Experimental example>
(Sample preparation example 1)
Co powder having a purity of 99.9% and SnS powder were mixed at a ratio of a composition ratio of 2: 3, and an alloy powder having a composition of CoSn 1.5 S 1.5 was produced by a mechanical alloying method. CoSn 1.5 S 1.5 has a crystal structure in which the As site of CoAs 3 is replaced with Sn and S, and the change in valence number ΔVEC from CoAs 3 is about zero.

(試料作製例2)
純度99.9%のLa粉末とFe粉末とCo粉末とSnS粉末とを、1:3:1:6の組成比となる割合で混合し、メカニカルアロイング法により、LaCoFeSnの組成を有する合金粉末を作製した後、得られた合金粉末を高圧下にて熱処理した。得られた粉末試料について、X線回折により構造解析を行った結果、スクッテルダイト構造由来の結晶構造ピークが観測された。LaCoFeSnは、CoSn1.51.5のCoサイトの一部をFeで置換し、さらにLaを添加した結晶構造であり、CoSn1.51.5からの価電子数変化ΔVECは、約0である。
(Sample preparation example 2)
La powder of 99.9% purity, Fe powder, Co powder, and SnS powder were mixed at a ratio of 1: 3: 1: 6, and LaCoFe 3 Sn 6 S 6 was mixed by mechanical alloying. After producing an alloy powder having a composition, the obtained alloy powder was heat-treated under high pressure. As a result of structural analysis of the obtained powder sample by X-ray diffraction, a crystal structure peak derived from a skutterudite structure was observed. LaCoFe 3 Sn 6 S 6 is a crystal structure in which a part of the Co site of CoSn 1.5 S 1.5 is substituted with Fe and La is further added, and valence electrons from CoSn 1.5 S 1.5 The number change ΔVEC is approximately zero.

(試料作製例3)
純度99.9%のLa粉末とBa粉末とFe粉末とCo粉末とSnS粉末とを、0.95:0.05:3:1:6の組成比となる割合で混合し、ボールミルを用いて試料を粉砕し、La0.95Ba0.05CoFeSnの組成を有する合金粉末を作製した。その後、得られた合金粉末を高圧下にて熱処理した。得られた粉末試料について、X線回折により構造解析を行った結果、スクッテルダイト構造由来の結晶構造ピークが観測された。La0.95Ba0.05CoFeSnは、LaCoFeSnのLaサイトの一部をBaで置換した結晶構造であり、LaCoFeSnからの価電子数変化ΔVECは、約−0.1である。
(Sample preparation example 3)
99.9% purity La powder, Ba powder, Fe powder, Co powder and SnS powder were mixed at a ratio of 0.95: 0.05: 3: 1: 6, and then used with a ball mill. The sample was pulverized to produce an alloy powder having a composition of La 0.95 Ba 0.05 CoFe 3 Sn 6 S 6 . Thereafter, the obtained alloy powder was heat-treated under high pressure. As a result of structural analysis of the obtained powder sample by X-ray diffraction, a crystal structure peak derived from a skutterudite structure was observed. La 0.95 Ba 0.05 CoFe 3 Sn 6 S 6 has a crystal structure in which part of the La site of LaCoFe 3 Sn 6 S 6 is replaced with Ba, and the valence number change from LaCoFe 3 Sn 6 S 6 ΔVEC is about −0.1.

(試料作製例4)
試料作製例1で作製したCoSn1.51.5のCoの一部をNi、Mn、Cr、V、Zr、Hf、Ta、Wにより置換した、Co0.99Ni0.01Sn1.51.5、Co0.99Mn0.01Sn1.51.5、Co0.99Cr0.01Sn1.51.5、Co0.990.01Sn1.51.5、Co0.99Zr0.01Sn1.51.5、Co0.99Hf0.01Sn1.51.5、Co0.99Ta0.01Sn1.51.5、Co0.990.01Sn1.51.5の組成を有する合金粉末を作製した。
(Sample preparation example 4)
Co 0.99 Ni 0.01 Sn 1 in which a part of Co in CoSn 1.5 S 1.5 prepared in Sample Preparation Example 1 was replaced with Ni, Mn, Cr, V, Zr, Hf, Ta, and W. .5 S 1.5, Co 0.99 Mn 0.01 Sn 1.5 S 1.5, Co 0.99 Cr 0.01 Sn 1.5 S 1.5, Co 0.99 V 0.01 Sn 1.5 S 1.5 , Co 0.99 Zr 0.01 Sn 1.5 S 1.5 , Co 0.99 Hf 0.01 Sn 1.5 S 1.5 , Co 0.99 Ta 0.01 An alloy powder having a composition of Sn 1.5 S 1.5 and Co 0.99 W 0.01 Sn 1.5 S 1.5 was prepared.

例えばCo0.99Ni0.01Sn1.51.5の場合には、Co粉末とNi粉末とSnS粉末とを、0.99:0.01:1.5の組成比となる割合で混合し、試料作製例1と同様の方法により合金粉末を作製した。その他の組成の合金粉末についても、同様にして作製した。 For example, in the case of Co 0.99 Ni 0.01 Sn 1.5 S 1.5 , the ratio of Co powder, Ni powder, and SnS powder at a composition ratio of 0.99: 0.01: 1.5 Then, an alloy powder was prepared by the same method as in Sample Preparation Example 1. Alloy powders having other compositions were produced in the same manner.

(試料作製例5)
熱酸化膜を有するSi基板に、La、Fe、Co、Sn、Sの組成比が1:3:1:6:6である混合ターゲットを用いてスパッタリングすることにより、LaCoFeSnの組成を有する300nm程度の膜厚の薄膜を作製し、窒素雰囲気中で800℃の条件で、1時間熱処理を行った。薄膜のX線回折を行って構造解析した結果、スクッテルダイト構造のピークが観測された。
(Sample preparation example 5)
Sputtering is performed on a Si substrate having a thermal oxide film using a mixed target having a composition ratio of La, Fe, Co, Sn, and S of 1: 3: 1: 6: 6 to form LaCoFe 3 Sn 6 S 6 . A thin film having a thickness of about 300 nm having a composition was prepared, and heat treatment was performed in a nitrogen atmosphere at 800 ° C. for 1 hour. As a result of structural analysis by X-ray diffraction of the thin film, a peak of the skutterudite structure was observed.

(試料測定例1)
試料作製例1及び試料作製例2で作製した試料について、それぞれ、その一端を室温とし、他端を室温より20℃高い温度として、両端に20℃の温度差を設けた状態で、両端の電圧差を測定することにより、ゼーベック係数を測定した。その結果、試料作製例1で得られた試料では350V/K、試料作製例2で得られた試料では100V/Kと、高いゼーベック係数を得た。また、熱伝導率は、室温において、試料作製例1で得られた試料では10mW/Kcm、試料作製例2で得られた試料では9mW/Kcmであった。
(Sample measurement example 1)
For the samples prepared in Sample Preparation Example 1 and Sample Preparation Example 2, the voltage at both ends was measured with one end at room temperature and the other end at a temperature 20 ° C. higher than room temperature with a temperature difference of 20 ° C. at both ends. The Seebeck coefficient was measured by measuring the difference. As a result, the sample obtained in Sample Preparation Example 1 had a high Seebeck coefficient of 350 V / K, and the sample obtained in Sample Preparation Example 2 had a high Seebeck coefficient of 100 V / K. The thermal conductivity was 10 mW / Kcm for the sample obtained in Sample Preparation Example 1 and 9 mW / Kcm for the sample obtained in Sample Preparation Example 2 at room temperature.

従って、元素ドープ量の調整や元素置換により、VECを変化させてゼーベック係数を制御することにより、p型熱電変換材料として高い熱起電力を有する熱電変換材料を得られることを確認した。   Therefore, it was confirmed that a thermoelectric conversion material having a high thermoelectromotive force can be obtained as a p-type thermoelectric conversion material by controlling the Seebeck coefficient by changing the VEC by adjusting the element doping amount or element substitution.

試料作製方法は、上記した試料作製例以外の、公知の種々の方法を用いることが可能であり、例えば溶解法、急冷凝固法、ホットプレス法を用いてもよく、加熱焼結法、放電プラズマ焼結法を用いてもよく、薄膜作製法である分子線エピタキシーのような真空蒸着法を用いてもよく、遷移金属錯体等を用いた化学気相成長を組み合わせて用いてもよい。また、例えば硫黄を加熱して蒸気化し、アルゴン等の不活性ガスをキャリアガスとして、La−Co−Fe−Sn合金を装入した反応室に送りこみ、硫黄蒸気を、La−Co−Fe−Sn合金と反応させる方法を用いてもよい。   As the sample preparation method, various known methods other than the sample preparation examples described above can be used. For example, a melting method, a rapid solidification method, or a hot press method may be used. A sintering method may be used, a vacuum deposition method such as molecular beam epitaxy which is a thin film manufacturing method may be used, and chemical vapor deposition using a transition metal complex or the like may be used in combination. Further, for example, sulfur is heated to be vaporized, and an inert gas such as argon is used as a carrier gas, and sent to a reaction chamber charged with a La—Co—Fe—Sn alloy, and the sulfur vapor is introduced into La—Co—Fe—. You may use the method made to react with Sn alloy.

以上説明した実施形態によれば、枯渇の懸念が少なく、安価で無毒な元素を含む材料を組み合わせることにより、AsやSbを主骨格に含むスクッテルダイト化合物を用いた従来の熱電変換材料と比較して、低環境負荷でかつ低コストな熱電変換材料の作製が可能となる。また、所定の組成を有するスクッテルダイト化合物に、例えば価電子数の異なる元素を添加したり、価電子数の異なる元素で置換したりして、化合物全体の価電子数を制御することにより、高い熱起電力を有する熱電変換材料を作製することが可能となる。   According to the embodiment described above, there is little fear of depletion, and it is compared with a conventional thermoelectric conversion material using a skutterudite compound containing As or Sb in the main skeleton by combining materials that are inexpensive and non-toxic. Thus, it is possible to produce a thermoelectric conversion material with low environmental load and low cost. In addition, by adding, for example, an element having a different valence number to a skutterudite compound having a predetermined composition, or by substituting an element having a different valence number, the number of valence electrons of the entire compound is controlled, It becomes possible to produce a thermoelectric conversion material having a high thermoelectromotive force.

(モジュール作製例)
次に、上記した熱電変換材料を用いた熱電変換素子及びこれを用いた熱電変換モジュールについて、図7〜図10を用いて説明する。図7は、実施形態に係る熱電変換素子の一例を示す概略断面図である。図7に示す熱電変換素子100は、n型熱電変換材料層104として、上記した実施形態に係るn型熱電変換材料を用いた熱電変換素子であり、n型熱電変換材料層104の上面側に電極102a(第1上部電極)、下面側に電極102b(第1下部電極)が設けられ、n型熱電変換材料層104の電極102a側を高温に、電極102b側を低温とするように温度差を与えると、低温側から高温側へ向かう方向120に電流が流れる。なお、図7中、n型熱電変換材料層104に代えて、p型熱電変換材料層103を設けた場合には、電流は、高温側から低温側へ向かう方向130に流れるようになる。
(Example of module production)
Next, a thermoelectric conversion element using the above-described thermoelectric conversion material and a thermoelectric conversion module using the same will be described with reference to FIGS. FIG. 7 is a schematic cross-sectional view illustrating an example of the thermoelectric conversion element according to the embodiment. A thermoelectric conversion element 100 shown in FIG. 7 is a thermoelectric conversion element using the n-type thermoelectric conversion material according to the above-described embodiment as the n-type thermoelectric conversion material layer 104, and is on the upper surface side of the n-type thermoelectric conversion material layer 104. An electrode 102a (first upper electrode) and an electrode 102b (first lower electrode) are provided on the lower surface side, and the temperature difference is such that the electrode 102a side of the n-type thermoelectric conversion material layer 104 is at a high temperature and the electrode 102b side is at a low temperature. , Current flows in the direction 120 from the low temperature side to the high temperature side. In FIG. 7, when the p-type thermoelectric conversion material layer 103 is provided instead of the n-type thermoelectric conversion material layer 104, the current flows in a direction 130 from the high temperature side toward the low temperature side.

図8は、実施形態に係る熱電変換素子の一例を示す概略断面図である。図8に示す熱電変換素子200は、n型熱電変換材料層104として、上記した実施形態に係るn型熱電変換材料を用いた熱電変換素子であり、このn型熱電変換材料層104に隣接して、p型熱電変換材料層103が設けられている。なお、以下では、第1の熱電変換材料層としてn型熱電変換材料層104を設置し、第2の熱電変換材料層として、p型熱電変換材料層103を設置した場合について説明する。   FIG. 8 is a schematic cross-sectional view illustrating an example of the thermoelectric conversion element according to the embodiment. A thermoelectric conversion element 200 shown in FIG. 8 is a thermoelectric conversion element using the n-type thermoelectric conversion material according to the above-described embodiment as the n-type thermoelectric conversion material layer 104, and is adjacent to the n-type thermoelectric conversion material layer 104. Thus, a p-type thermoelectric conversion material layer 103 is provided. In the following, a case where the n-type thermoelectric conversion material layer 104 is installed as the first thermoelectric conversion material layer and the p-type thermoelectric conversion material layer 103 is installed as the second thermoelectric conversion material layer will be described.

熱電変換素子200は、n型熱電変換材料層104及びp型熱電変換材料層103が、その図8中上側面において、双方と接するように設けられた電極102cにより接続された、π型構造を有している。なお、電極102cは、p型熱電変換材料層103上に設けられた第2上部電極としての電極と、n型熱電変換材料層104上に設けられた第1上部電極としての電極102a(図7参照。)とが、電気的に接続されて一体的に形成されたものである。一方、n型熱電変換材料層104及びp型熱電変換材料層103の図9中下側面には、電極102b(第1下部電極)、電極102d(第2下部電極)が、それぞれ別個に設けられている。   The thermoelectric conversion element 200 has a π-type structure in which an n-type thermoelectric conversion material layer 104 and a p-type thermoelectric conversion material layer 103 are connected to each other on the upper side surface in FIG. Have. The electrode 102c is an electrode as a second upper electrode provided on the p-type thermoelectric conversion material layer 103 and an electrode 102a as a first upper electrode provided on the n-type thermoelectric conversion material layer 104 (FIG. 7). Are electrically connected and integrally formed. On the other hand, an electrode 102b (first lower electrode) and an electrode 102d (second lower electrode) are separately provided on the lower side surfaces in FIG. 9 of the n-type thermoelectric conversion material layer 104 and the p-type thermoelectric conversion material layer 103, respectively. ing.

図8に示すπ型の熱電変換素子200では、電極102c側を高温とし、電極102b、102d側を低温とした場合、n型熱電変換材料層104内部では低温側から高温側に向かい、p型熱電変換材料層103内部では高温側から低温側に向かう方向140に、電流が流れるように構成されている。   In the π-type thermoelectric conversion element 200 shown in FIG. 8, when the electrode 102c side is at a high temperature and the electrodes 102b and 102d are at a low temperature, the p-type thermoelectric conversion material layer 104 is moved from the low temperature side to the high temperature side. Inside the thermoelectric conversion material layer 103, a current flows in a direction 140 from the high temperature side to the low temperature side.

図7に示す熱電変換素子100、及び図8に示す熱電変換素子200によれば、例えば300〜600℃の温度範囲でも、高い変換効率を得ることができる。   According to the thermoelectric conversion element 100 illustrated in FIG. 7 and the thermoelectric conversion element 200 illustrated in FIG. 8, high conversion efficiency can be obtained even in a temperature range of 300 to 600 ° C., for example.

次に、上記したn型熱電変換材料を用いた熱電変換モジュールについて図9、図10を用いて説明する。図9は、実施形態に係る熱電変換モジュールの一例を示す概略全体斜視図である。   Next, a thermoelectric conversion module using the above-described n-type thermoelectric conversion material will be described with reference to FIGS. FIG. 9 is a schematic overall perspective view illustrating an example of the thermoelectric conversion module according to the embodiment.

なお、図9に示す熱電変換モジュール300は、図8に示すπ型の熱電変換素子200を同一面上に多数個並べて構成したものであり、図10に示す熱電変換モジュール400は、図8に示すπ型の熱電変換素子200を用いた、カスケード型の熱電変換モジュールであり、いずれも、図8に示すπ型の熱電変換素子200を、所望の数だけ直列接続又は並列接続することにより、所望の電圧、電流を得ることができる。特に、図10に示すカスケード型の熱電変換モジュール400では、高温側と低温側で温度差が大きい場合や、温度分布が異なる場合にも適用することが可能である。   The thermoelectric conversion module 300 shown in FIG. 9 is configured by arranging a large number of π-type thermoelectric conversion elements 200 shown in FIG. 8 on the same surface. The thermoelectric conversion module 400 shown in FIG. Is a cascade type thermoelectric conversion module using the π-type thermoelectric conversion element 200 shown in FIG. 8, and any of the π-type thermoelectric conversion elements 200 shown in FIG. Desired voltage and current can be obtained. In particular, the cascade-type thermoelectric conversion module 400 shown in FIG. 10 can be applied to a case where the temperature difference between the high temperature side and the low temperature side is large or the temperature distribution is different.

図9において、図9(b)は、図9(a)における電極102cを取り外した状態の斜視図である。図9に示す熱電変換モジュール300は、作動時には、図9(a)中に矢印150で示すように、デバイス面に垂直方向に温度勾配が形成されるように温度差が与えられる。   In FIG. 9, FIG. 9B is a perspective view in a state where the electrode 102c in FIG. 9A is removed. In operation, the thermoelectric conversion module 300 shown in FIG. 9 is given a temperature difference so that a temperature gradient is formed in a direction perpendicular to the device surface, as indicated by an arrow 150 in FIG. 9A.

なお、図9において、n型熱電変換材料層104及びp型熱電変換材料層103の図9中下側面には、電極102b(第1下部電極)と電極102d(第2下部電極)とが、電気的に接続されて一体的に形成された電極102eが設けられている。電極102eは、n型熱電変換材料層104及びp型熱電変換材料層103の図9中下側面において、その双方と接するように設けられている。   In FIG. 9, an electrode 102 b (first lower electrode) and an electrode 102 d (second lower electrode) are provided on the lower side surfaces of the n-type thermoelectric conversion material layer 104 and the p-type thermoelectric conversion material layer 103 in FIG. 9. An electrode 102e that is electrically connected and integrally formed is provided. The electrode 102e is provided on the lower side in FIG. 9 of the n-type thermoelectric conversion material layer 104 and the p-type thermoelectric conversion material layer 103 so as to be in contact with both.

図10は、実施形態に係るカスケード型の熱電変換モジュールの一例を示す図である。図10において、図10(a)は、カスケード型の熱電変換モジュールの概略全体斜視図であり、図10(b)は、図10(a)に示す熱電変換モジュールの一部の断面図である。   FIG. 10 is a diagram illustrating an example of a cascade type thermoelectric conversion module according to the embodiment. 10A is a schematic overall perspective view of a cascade type thermoelectric conversion module, and FIG. 10B is a cross-sectional view of a part of the thermoelectric conversion module shown in FIG. 10A. .

なお、図10(b)に示すように、カスケード型の熱電変換モジュール400では、一段目のn型熱電変換材料層104及びp型熱電変換材料層103と、二段目のn型熱電変換材料層104及びp型熱電変換材料層103との間に、絶縁基板101が設置されている。また、一段目のn型熱電変換材料層104及びp型熱電変換材料層103の上面側には、電極102cを挟んで絶縁基板101が設置されている。また、二段目のn型熱電変換材料層104及びp型熱電変換材料層103の下面側には、電極102eを挟んで絶縁基板101が設置されている。   10B, in the cascade type thermoelectric conversion module 400, the first-stage n-type thermoelectric conversion material layer 104 and the p-type thermoelectric conversion material layer 103, and the second-stage n-type thermoelectric conversion material. An insulating substrate 101 is provided between the layer 104 and the p-type thermoelectric conversion material layer 103. An insulating substrate 101 is provided on the upper surface side of the first-stage n-type thermoelectric conversion material layer 104 and p-type thermoelectric conversion material layer 103 with the electrode 102c interposed therebetween. An insulating substrate 101 is provided on the lower surface side of the second-stage n-type thermoelectric conversion material layer 104 and p-type thermoelectric conversion material layer 103 with the electrode 102e interposed therebetween.

図9に示す熱電変換モジュール300及び図10に示す熱電変換モジュール400によれば、300〜600℃程度の温度域でも、変換効率の高い熱電変換モジュールを提供することができる。従って、上記した熱電変換モジュール300及び熱電変換モジュール400は、例えば車載用として好適に用いることができる。   According to the thermoelectric conversion module 300 shown in FIG. 9 and the thermoelectric conversion module 400 shown in FIG. 10, a thermoelectric conversion module with high conversion efficiency can be provided even in a temperature range of about 300 to 600 ° C. Therefore, the thermoelectric conversion module 300 and the thermoelectric conversion module 400 described above can be suitably used for in-vehicle use, for example.

100、200…熱電変換素子、300、400…熱電変換モジュール、101…絶縁基板、102a、102b、102c、102e…電極、103…p型熱電変換材料層、104…n型熱電変換材料層、120…n型熱電変換材料を用いた場合の電流の流れる方向、130…p型熱電変換材料を用いた場合の電流の流れる方向、140…電流の流れる方向、150…矢印 DESCRIPTION OF SYMBOLS 100, 200 ... Thermoelectric conversion element, 300, 400 ... Thermoelectric conversion module, 101 ... Insulating substrate, 102a, 102b, 102c, 102e ... Electrode, 103 ... P-type thermoelectric conversion material layer, 104 ... N-type thermoelectric conversion material layer, 120 ... direction of current flow when n-type thermoelectric conversion material is used, 130 ... direction of current flow when p-type thermoelectric conversion material is used, 140 ... direction of current flow, 150 ... arrow

Claims (9)

下記一般式(1)で表される化合物を含むことを特徴とする熱電変換材料。
Reα8−βT’β12−μX’μ12+γ・・・(1)
(式(1)中、0≦α≦2、0≦β≦8、−1≦γ≦1、−0.3≦μ≦0.3であり、Reは、Li、Na、K、Rb、Cs、Mg、Ca、Sr、Ba、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb及びLuからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、Tは、Co、Rh及びIrからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、T’は、Fe、Mn、Ni、Cr、V、Ti、Zr、Nb、Mo、Ru、Os、Re、W、Ta及びHfからなる選択される少なくとも1種の元素であり、Xは、Sn、Ge及びSiからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、X’は、Al、Ga、In、P、Sb及びBiからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、YはSである。)
A thermoelectric conversion material comprising a compound represented by the following general formula (1):
Re α T 8-β T ′ β X 12-μ X ′ μ Y 12 + γ (1)
(In the formula (1), 0 ≦ α ≦ 2, 0 ≦ β ≦ 8, −1 ≦ γ ≦ 1, −0.3 ≦ μ ≦ 0.3, and Re is Li, Na, K, Rb, Selected from the group consisting of Cs, Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb and Lu At least one element, T is at least one element selected from the group consisting of Co, Rh and Ir, and T ′ is Fe, Mn, Ni, Cr, V, Ti, Zr, Nb , Mo, Ru, Os, Re, W, Ta and Hf, and X is at least one element selected from the group consisting of Sn, Ge and Si; X ′ is at least one element selected from the group consisting of Al, Ga, In, P, Sb and Bi. Yes, Y is S.)
前記熱電変換材料がP型熱電変換材料であり、前記一般式(1)において、β≧4であることを特徴とする請求項1に記載の熱電変換材料。   The thermoelectric conversion material according to claim 1, wherein the thermoelectric conversion material is a P-type thermoelectric conversion material, and β ≧ 4 in the general formula (1). 前記熱電変換材料がN型熱電変換材料であり、前記一般式(1)において、β≦4であることを特徴とする請求項1に記載の熱電変換材料。   The thermoelectric conversion material according to claim 1, wherein the thermoelectric conversion material is an N-type thermoelectric conversion material, and β ≦ 4 in the general formula (1). 前記化合物のナノ粒子により形成される主相と、前記ナノ粒子の粒界に形成され、P、Sb、Mg、Al、Cu、Ga、Na、Li、K、Sn及びBiからなる群から選択される少なくとも1種の元素を含みかつ前記主相とは異なる組成を有する粒界相とを有することを特徴とする請求項1に記載の熱電変換材料。   Selected from the group consisting of P, Sb, Mg, Al, Cu, Ga, Na, Li, K, Sn, and Bi formed in the main phase formed by the nanoparticles of the compound and the grain boundaries of the nanoparticles. 2. The thermoelectric conversion material according to claim 1, further comprising: a grain boundary phase that includes at least one kind of element having a composition different from that of the main phase. 前記ナノ粒子の粒径が、1〜500nmであることを特徴とする請求項4に記載の熱電変換材料。   The thermoelectric conversion material according to claim 4, wherein the nanoparticles have a particle size of 1 to 500 nm. 前記熱電変換材料は、LaCoFeSn又はCoSn1.51.5の価電子数を、−0.3≦ΔVEC≦0.3の範囲で調整した化合物を含むことを特徴とする請求項1に記載の熱電変換材料。 The thermoelectric conversion material includes a compound in which the number of valence electrons of LaCoFe 3 Sn 6 S 6 or CoSn 1.5 S 1.5 is adjusted in a range of −0.3 ≦ ΔVEC ≦ 0.3. The thermoelectric conversion material according to claim 1. 第1の熱電変換材料層と、
前記第1の熱電変換材料層に隣接して設けられ、前記第1の熱電変換材料層とは導電型が異なる第2の熱電変換材料層と、
前記第1の熱電変換材料層及び前記第2の熱電変換材料層に接触させて設けられた上部電極と、
前記第1の熱電変換材料層及び前記第2の熱電変換材料層に、前記上部電極の設置面と反対側の面に接触させて設けられた下部電極と、を有し、
前記第1の熱電変換材料層又は前記第2の熱電変換材料層の少なくとも一方は、下記一般式(1)で表される化合物を含む熱電変換材料により形成される層であることを特徴とする熱電変換モジュール。
Reα8−βT’β12−μX’μ12+γ・・・(1)
(式(1)中、0≦α≦2、0≦β≦8、−1≦γ≦1、−0.3≦μ≦0.3であり、Reは、Li、Na、K、Rb、Cs、Mg、Ca、Sr、Ba、Sc、Y、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb及びLuからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、Tは、Co、Rh及びIrからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、T’は、Fe、Mn、Ni、Cr、V、Ti、Zr、Nb、Mo、Ru、Os、Re、W、Ta及びHfからなる選択される少なくとも1種の元素であり、Xは、Sn、Ge及びSiからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、X’は、Al、Ga、In、P、Sb及びBiからなる群から選択される少なくとも1種の元素であり、YはSである。)
A first thermoelectric conversion material layer;
A second thermoelectric conversion material layer provided adjacent to the first thermoelectric conversion material layer and having a conductivity type different from that of the first thermoelectric conversion material layer;
An upper electrode provided in contact with the first thermoelectric conversion material layer and the second thermoelectric conversion material layer;
A lower electrode provided on the first thermoelectric conversion material layer and the second thermoelectric conversion material layer in contact with the surface opposite to the installation surface of the upper electrode;
At least one of the first thermoelectric conversion material layer or the second thermoelectric conversion material layer is a layer formed of a thermoelectric conversion material containing a compound represented by the following general formula (1). Thermoelectric conversion module.
Re α T 8-β T ′ β X 12-μ X ′ μ Y 12 + γ (1)
(In the formula (1), 0 ≦ α ≦ 2, 0 ≦ β ≦ 8, −1 ≦ γ ≦ 1, −0.3 ≦ μ ≦ 0.3, and Re is Li, Na, K, Rb, Selected from the group consisting of Cs, Mg, Ca, Sr, Ba, Sc, Y, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb and Lu At least one element, T is at least one element selected from the group consisting of Co, Rh and Ir, and T ′ is Fe, Mn, Ni, Cr, V, Ti, Zr, Nb , Mo, Ru, Os, Re, W, Ta and Hf, and X is at least one element selected from the group consisting of Sn, Ge and Si; X ′ is at least one element selected from the group consisting of Al, Ga, In, P, Sb and Bi. Yes, Y is S.)
前記熱電変換モジュールは、300〜600℃の温度範囲で使用されることを特徴とする請求項7に記載の熱電変換モジュール。   The thermoelectric conversion module according to claim 7, wherein the thermoelectric conversion module is used in a temperature range of 300 to 600 ° C. 前記熱電変換モジュールは、車載用であることを特徴とする請求項8に記載の熱電変換モジュール。   The thermoelectric conversion module according to claim 8, wherein the thermoelectric conversion module is for vehicle use.
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