JP2019161203A - Sulfide, thermoelectric conversion material, and thermoelectric conversion element - Google Patents

Sulfide, thermoelectric conversion material, and thermoelectric conversion element Download PDF

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威夫 赤塚
Takeo Akatsuka
威夫 赤塚
是史 久保田
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是史 久保田
大 三輪
Masaru Miwa
大 三輪
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Abstract

To provide a sulfide which is small in the content of a typical metal element other than tin, and which has a low lattice thermal conductivity at 300 K.SOLUTION: A sulfide comprises copper, tin, and at least one typical metal element other than tin. The content of the copper to a total amount of metal included in the sulfide is 10 mol% or more. The content of the tin to the total amount of metal included in the sulfide is 10 mol% or more. The content of the typical metal element other than tin to the total amount of metal included in the sulfide is 10 mol% or more and 30 mol% or less. The sulfide has a lattice thermal conductivity of 1.3 W/(m K) or less at 300 K.SELECTED DRAWING: Figure 2A

Description

本発明は、硫化物、熱電変換材料、及び熱電変換素子に関する。   The present invention relates to a sulfide, a thermoelectric conversion material, and a thermoelectric conversion element.

近年、硫化物は、特に、熱電変換材料及び太陽電池材料等の半導体材料として注目されている。太陽電池材料は、紫外線、可視光線、又は赤外線等の光を吸収し、光起電力効果により光エネルギーを電気エネルギーに変換する材料である。太陽電池材料としては、シリコン又はガリウムヒ素等を含む材料が実用化されている。一方、近年では、銅−インジウム−セレン硫化物(CIS)又は銅−亜鉛−スズ硫化物(CZTS)等の硫化物材料の太陽電池材料への適用に関する研究も盛んである。これらの硫化物材料は、安全かつ安価な太陽電池材料として期待されているが、シリコン系太陽電池に使われる太陽電池材料と比較すると、変換効率の点で十分とは言い難く、その特性の向上が求められている。   In recent years, sulfides have attracted attention as semiconductor materials such as thermoelectric conversion materials and solar cell materials. A solar cell material is a material that absorbs light such as ultraviolet light, visible light, or infrared light, and converts light energy into electric energy by a photovoltaic effect. As solar cell materials, materials containing silicon or gallium arsenide have been put into practical use. On the other hand, in recent years, research on application of sulfide materials such as copper-indium-selenium sulfide (CIS) or copper-zinc-tin sulfide (CZTS) to solar cell materials is also active. These sulfide materials are expected to be safe and inexpensive solar cell materials, but compared to solar cell materials used for silicon solar cells, it is difficult to say that conversion efficiency is sufficient. Is required.

熱電変換材料は、ゼーベック効果により材料両端の温度差によって電圧を生じさせ、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する、又は、ペルチェ効果により電気エネルギーによって温度差を生じさせる材料である。近年、特に熱電変換材料として、銅とその他の金属を含む硫化物が注目されている。例えば、非特許文献1及び2には、それぞれ、コルーサイト構造を有するCu262632(M=Ge,Sn)及びコルーサイト構造を有するCu262632の熱電特性が報告されている。また、特許文献1には、所定の結晶構造を有し、銅と、第1遷移元素又はpブロック元素である、銅以外の少なくとも1つの金属とを主成分として含む複合金属硫化物でできた、熱電変換材料が記載されている。また、非特許文献3では、Cu2SnS3を母構造とし、Cu又はSnの一部をAlによって置換したCu5AlSn28の熱電特性が第一原理計算により予想されている。詳細には、非特許文献3には、Cu5AlSn28の最も安定なコンフィギュレーションであるConfiguration C(Fig. 1参照)に対する計算結果が示されている。その計算結果によれば、Configuration Cを有する硫化物の300Kにおける格子熱伝導率が約2.2W/(m・K)である(Fig. 7参照)。 The thermoelectric conversion material is a material that generates a voltage by a temperature difference between both ends of the material by the Seebeck effect and converts thermal energy into electric energy, or generates a temperature difference by the electric energy by the Peltier effect. In recent years, sulfides containing copper and other metals have attracted attention as thermoelectric conversion materials. For example, Non-Patent Documents 1 and 2, respectively, the thermoelectric properties of the Cu 26 V 2 M 6 S 32 (M = Ge, Sn) and Cu 26 V 2 M 6 S 32 having a Korusaito structure having Korusaito structure Has been reported. Further, Patent Document 1 has a predetermined crystal structure, and is made of a composite metal sulfide containing, as a main component, copper and at least one metal other than copper, which is a first transition element or a p-block element. Thermoelectric conversion materials are described. In Non-Patent Document 3, the thermoelectric properties of Cu 5 AlSn 2 S 8 in which Cu 2 SnS 3 is used as a parent structure and a part of Cu or Sn is replaced by Al are predicted by first-principles calculations. Specifically, Non-Patent Document 3 shows a calculation result for Configuration C (see FIG. 1), which is the most stable configuration of Cu 5 AlSn 2 S 8 . According to the calculation result, the lattice thermal conductivity at 300 K of the sulfide having Configuration C is about 2.2 W / (m · K) (see Fig. 7).

また、非特許文献4には、Cu2Tl2SnS4の熱伝導率が300Kにおいて0.6W/(m・K)であることが記載されている。 Further, Non-Patent Document 4, the thermal conductivity of Cu 2 Tl 2 SnS 4 is described to be 0.6W / (m · K) at 300K.

非特許文献5及び6にはそれぞれCu3AlSnS5及びCu3InSnS5のナノ粒子の合成方法が記載されている。非特許文献5及び6によれば、筆者らは太陽電池への応用を考え、それらの材料の紫外可視近赤外吸収スペクトル及び電流電圧曲線を測定している。しかし、非特許文献5及び6には、Cu3AlSnS5及びCu3InSnS5の熱伝導率に関する測定結果は記載されていない。 Non-patent documents 5 and 6 describe a method for synthesizing Cu 3 AlSnS 5 and Cu 3 InSnS 5 nanoparticles, respectively. According to Non-Patent Documents 5 and 6, the authors consider the application to solar cells and measure the ultraviolet-visible near-infrared absorption spectrum and current-voltage curve of these materials. However, Non-Patent Documents 5 and 6 do not describe measurement results regarding the thermal conductivity of Cu 3 AlSnS 5 and Cu 3 InSnS 5 .

特開2016−48730号公報JP 2016-48730 A

Applied Physics Letters, (米), 2014, Vol.105, 132107Applied Physics Letters, (US), 2014, Vol.105, 132107 Journal of Applied Physics, (米), 2014, Vol.116, 063706Journal of Applied Physics, (US), 2014, Vol.116, 063706 Journal of Electronic Materials,(米), 2016, Vol. 45, No.3, p.1453-1458Journal of Electronic Materials, (US), 2016, Vol. 45, No. 3, p.1453-1458 Chemistry of Materials,(米), 2005, Vol.17, No.11, p.2875-2884Chemistry of Materials, (US), 2005, Vol. 17, No. 11, p.2875-2884 ChemPlusChem,(独), 2015, Vol.80, 652-655ChemPlusChem, (Germany), 2015, Vol.80, 652-655 CrystEngComm,(英), 2013, Vol.15, p.10459-10463CrystEngComm, (English), 2013, Vol.15, p.10459-10463

非特許文献3の計算結果によれば、安定なコンフィギュレーションを有するCu5AlSn28の300Kにおける格子熱伝導率が比較的高く計算されているが、実際には、Alが不規則にCu又はSnの一部を置換する可能性が高い。非特許文献3は、Alが不規則にCu又はSnの一部を置換する場合の格子熱伝導率について明らかにしていない。非特許文献2の硫化物は、300Kにおいて比較的低い熱伝導率を有するものの、毒性を有するTl(タリウム)を含有する必要がある。そこで、本発明は、銅及びスズ以外の金属元素としてより安全な金属を選択することも可能であり、硫化物における銅及びスズ以外の金属の含有量を所定の値以下に制限することによって、より安全に、300Kにおいて低い格子熱伝導率を有する硫化物を提供する。 According to the calculation result of Non-Patent Document 3, the lattice thermal conductivity at 300 K of Cu 5 AlSn 2 S 8 having a stable configuration is calculated to be relatively high. Alternatively, there is a high possibility of replacing a part of Sn. Non-Patent Document 3 does not clarify the lattice thermal conductivity when Al irregularly substitutes a part of Cu or Sn. Although the sulfide of nonpatent literature 2 has comparatively low thermal conductivity in 300K, it needs to contain Tl (thallium) which has toxicity. Therefore, the present invention can also select a safer metal as a metal element other than copper and tin, by limiting the content of metal other than copper and tin in the sulfide to a predetermined value or less, More safely, it provides sulfides with low lattice thermal conductivity at 300K.

本発明は、
銅と、スズと、スズ以外の少なくとも1つの典型金属元素とを含む硫化物であって、
当該硫化物に含まれる金属の全量における前記銅の含有率が10モル%以上であり、
前記金属の全量における前記スズの含有率が10モル%以上であり、
前記金属の全量における前記典型金属元素の含有率が10モル%以上かつ30モル%以下であり、
300Kにおいて1.3W/(m・K)以下の格子熱伝導率を有する、
硫化物を提供する。
The present invention
A sulfide containing copper, tin, and at least one typical metal element other than tin,
The copper content in the total amount of metal contained in the sulfide is 10 mol% or more,
The tin content in the total amount of the metal is 10 mol% or more,
The content of the typical metal element in the total amount of the metal is 10 mol% or more and 30 mol% or less,
Having a lattice thermal conductivity of 1.3 W / (m · K) or less at 300 K;
Provide sulfide.

また、本発明は、
上記の硫化物を含有する、熱電変換材料を提供する。
The present invention also provides:
A thermoelectric conversion material containing the sulfide is provided.

さらに、本発明は、
上記の熱電変換材料を備えた、熱電変換素子を提供する。
Furthermore, the present invention provides:
A thermoelectric conversion element provided with the thermoelectric conversion material is provided.

上記の硫化物は、スズ以外の典型金属元素の含有量が少なく、300Kにおいて低い格子熱伝導率を有する。   The above sulfide has a small content of typical metal elements other than tin, and has a low lattice thermal conductivity at 300K.

図1Aは、本発明に係る熱電変換素子の一例を示す断面図である。FIG. 1A is a cross-sectional view showing an example of a thermoelectric conversion element according to the present invention. 図1Bは、本発明に係る熱電変換素子の別の一例を示す断面図である。FIG. 1B is a cross-sectional view showing another example of the thermoelectric conversion element according to the present invention. 図2Aは、実施例1に係るサンプルの熱伝導率、キャリア熱伝導率、及び格子熱伝導率の温度変化を示すグラフである。FIG. 2A is a graph showing temperature changes of the thermal conductivity, carrier thermal conductivity, and lattice thermal conductivity of the sample according to Example 1. 図2Bは、実施例2に係るサンプルの熱伝導率、キャリア熱伝導率、及び格子熱伝導率の温度変化を示すグラフである。FIG. 2B is a graph showing the temperature change of the thermal conductivity, carrier thermal conductivity, and lattice thermal conductivity of the sample according to Example 2. 図2Cは、実施例3に係るサンプルの熱伝導率、キャリア熱伝導率、及び格子熱伝導率の温度変化を示すグラフである。FIG. 2C is a graph showing temperature changes of the thermal conductivity, carrier thermal conductivity, and lattice thermal conductivity of the sample according to Example 3. 図2Dは、実施例4に係るサンプルの熱伝導率、キャリア熱伝導率、及び格子熱伝導率の温度変化を示すグラフである。FIG. 2D is a graph showing changes in temperature of the thermal conductivity, carrier thermal conductivity, and lattice thermal conductivity of the sample according to Example 4. 図3Aは、実施例1に係るサンプルの電気伝導率及び電気抵抗率の温度変化を示すグラフである。FIG. 3A is a graph showing temperature changes in electrical conductivity and electrical resistivity of the sample according to Example 1. 図3Bは、実施例2に係るサンプルの電気伝導率及び電気抵抗率の温度変化を示すグラフである。FIG. 3B is a graph showing temperature changes in electrical conductivity and electrical resistivity of the sample according to Example 2. 図3Cは、実施例3に係るサンプルの電気伝導率及び電気抵抗率の温度変化を示すグラフである。FIG. 3C is a graph showing temperature changes in electrical conductivity and electrical resistivity of the sample according to Example 3. 図3Dは、実施例4に係るサンプルの電気伝導率及び電気抵抗率の温度変化を示すグラフである。FIG. 3D is a graph showing temperature changes in electrical conductivity and electrical resistivity of the sample according to Example 4. 図4Aは、実施例1に係るサンプルのゼーベック係数及びパワーファクターの温度変化を示すグラフである。FIG. 4A is a graph showing temperature changes in Seebeck coefficient and power factor of the sample according to Example 1. 図4Bは、実施例2に係るサンプルのゼーベック係数及びパワーファクターの温度変化を示すグラフである。FIG. 4B is a graph showing temperature changes in the Seebeck coefficient and power factor of the sample according to Example 2. 図4Cは、実施例3に係るサンプルのゼーベック係数及びパワーファクターの温度変化を示すグラフである。FIG. 4C is a graph showing temperature changes in Seebeck coefficient and power factor of the sample according to Example 3. 図4Dは、実施例4に係るサンプルのゼーベック係数及びパワーファクターの温度変化を示すグラフである。FIG. 4D is a graph showing temperature changes in Seebeck coefficient and power factor of the sample according to Example 4. 図5Aは、実施例1に係るサンプルの無次元性能指数を示すグラフである。FIG. 5A is a graph showing a dimensionless figure of merit of the sample according to Example 1. 図5Bは、実施例2に係るサンプルの無次元性能指数を示すグラフである。FIG. 5B is a graph showing a dimensionless figure of merit of the sample according to Example 2. 図5Cは、実施例3に係るサンプルの無次元性能指数を示すグラフである。FIG. 5C is a graph showing a dimensionless figure of merit of the sample according to Example 3. 図5Dは、実施例4に係るサンプルの無次元性能指数を示すグラフである。FIG. 5D is a graph showing a dimensionless figure of merit of the sample according to Example 4. 図6Aは、実施例1に係るサンプルのX線回折パターンを示すグラフである。6A is a graph showing an X-ray diffraction pattern of a sample according to Example 1. FIG. 図6Bは、実施例2に係るサンプルのX線回折パターンを示すグラフである。6B is a graph showing an X-ray diffraction pattern of a sample according to Example 2. FIG. 図6Cは、実施例3に係るサンプルのX線回折パターンを示すグラフである。FIG. 6C is a graph showing an X-ray diffraction pattern of the sample according to Example 3. 図6Dは、実施例4に係るサンプルのX線回折パターンを示すグラフである。6D is a graph showing an X-ray diffraction pattern of a sample according to Example 4. FIG. 図7は、実施例4に係る粉末のX線回折パターンを示すグラフである。FIG. 7 is a graph showing an X-ray diffraction pattern of the powder according to Example 4.

熱電変換材料は、ゼーベック効果により材料両端の温度差によって電圧を生じさせ熱エネルギーを電気エネルギーに変換する、又は、ペルチェ効果により電気エネルギーによって温度差を生じさせる材料である。熱電変換材料としては、熱エネルギーの高い方から低い方へ電子の移動により電流が生じるn型熱電変換材料と、正孔の移動により電流が生じるp型熱電変換材料とが存在する。   The thermoelectric conversion material is a material that generates a voltage by the temperature difference between both ends of the material by the Seebeck effect and converts the heat energy into electric energy, or generates a temperature difference by the electric energy by the Peltier effect. As the thermoelectric conversion material, there are an n-type thermoelectric conversion material in which an electric current is generated by movement of electrons from a higher heat energy to a lower one, and a p-type thermoelectric conversion material in which an electric current is generated by movement of holes.

熱電変換材料の性能を示す指標として下記の式(1)で定義される無次元性能指数ZTがある。ここで、Sはゼーベック係数を示し、σは電気伝導率を示し、Tは絶対温度を示し、κは熱伝導率を示す。式(1)に示す通り、無次元性能指数ZTを高めるためには、熱伝導率κが低いことが有利である。
ZT=S2σT/κ (1)
As an index indicating the performance of the thermoelectric conversion material, there is a dimensionless figure of merit ZT defined by the following formula (1). Here, S represents the Seebeck coefficient, σ represents electrical conductivity, T represents absolute temperature, and κ represents thermal conductivity. As shown in Equation (1), in order to increase the dimensionless figure of merit ZT, it is advantageous that the thermal conductivity κ is low.
ZT = S 2 σT / κ (1)

一方、熱伝導率κは、下記の式(2)に示す通り、キャリア熱伝導率κcarと格子熱伝導率κlatとの和で表される。キャリア熱伝導率κcarは、Wiedemann-Franzの法則として知られている式(3)のように表される。ここで、Lは、ローレンツ数であり、金属材料に対しては定数として扱うことができるが、半導体材料では金属材料で用いられる定数よりも小さくなることが知られており、Applied Physics Letters, (米), 2015, Vol.3, 041506によれば、式(4)のようにLを定めることが提唱されている。式(4)におけるSは、ゼーベック係数である。
κ=κcar+κlat (2)
κcar=LσT (3)
L=1.5+exp(−│S│/116) (4)
On the other hand, the thermal conductivity κ is represented by the sum of the carrier thermal conductivity κcar and the lattice thermal conductivity κlat, as shown in the following formula (2). The carrier thermal conductivity κcar is expressed as in equation (3) known as Wiedemann-Franz law. Here, L is the Lorentz number and can be treated as a constant for a metal material, but is known to be smaller than a constant used for a metal material in a semiconductor material. Applied Physics Letters, ( U.S.), 2015, Vol. 3, 041506, it is proposed to define L as shown in equation (4). S in Formula (4) is a Seebeck coefficient.
κ = κcar + κlat (2)
κcar = LσT (3)
L = 1.5 + exp (-│S│ / 116) (4)

このように、キャリア熱伝導率κcarが低いと電気伝導率σも低い傾向にあり、キャリア熱伝導率κcarが低いことは無次元性能指数ZTを高める観点から必ずしも有利であるとは限らない。一方、格子熱伝導率κlatは、電気伝導率σと正比例の関係にはなく、格子熱伝導率κlatが低いことは無次元性能指数ZTを高める観点から有利である。   Thus, when the carrier thermal conductivity κcar is low, the electrical conductivity σ also tends to be low, and the low carrier thermal conductivity κcar is not necessarily advantageous from the viewpoint of increasing the dimensionless figure of merit ZT. On the other hand, the lattice thermal conductivity κlat is not directly proportional to the electrical conductivity σ, and a low lattice thermal conductivity κlat is advantageous from the viewpoint of increasing the dimensionless figure of merit ZT.

非特許文献3の計算結果によれば、安定なコンフィギュレーションを有するCu5AlSn28は、300Kにおいて比較的高い格子熱伝導率κlatを示す。その理由は、軽元素であるAlが結晶格子中において大きく振動することによって熱が運ばれやすくなるためであると考えられる。非特許文献3においては、コンフィギュレーションA、B、及びCに関してそれぞれの構造をもとに、Cu5AlSn28の熱電特性が計算されている。しかし、非特許文献3に記載されたコンフィギュレーションA、B、Cのコンフィギュレーションの全エネルギーの差は、高々0.004eVである。そのため、本発明者らは、非特許文献3に記された、いずれかのコンフィギュレーションによって構成された構造ではなく、いくつかのコンフィギュレーションを組み合わせたような構造であり、Alがよりランダムに結晶中に配置された構造を有するように、Cu5AlSn28を生成できるのではないかと考えた。Alが結晶中にランダムに配置されていれば、結晶全体としての振動が不調和なものとなり、このような構造を有するCu5AlSn28の結晶の格子熱伝導率κlatは非特許文献3の予測に反して低くなると考えられる。このようにある元素を結晶中にランダムに存在させるためには、最安定相に近いエネルギーとして、いくつもの準安定相のコンフィギュレーションをとることが好ましい。これらのエネルギーの差は、室温の熱エネルギーである、0.03eV以下であることが好ましく、より好ましくは0.01eV以下であり、さらに好ましくは、0.005eV以下である。 According to the calculation result of Non-Patent Document 3, Cu 5 AlSn 2 S 8 having a stable configuration shows a relatively high lattice thermal conductivity κlat at 300K. The reason for this is thought to be that light, which is a light element, vibrates greatly in the crystal lattice, so that heat is easily carried. In Non-Patent Document 3, the thermoelectric characteristics of Cu 5 AlSn 2 S 8 are calculated based on the respective structures for configurations A, B, and C. However, the difference between the total energies of the configurations A, B, and C described in Non-Patent Document 3 is at most 0.004 eV. Therefore, the present inventors are not a structure constituted by any configuration described in Non-Patent Document 3, but a structure in which several configurations are combined, and Al is crystallized more randomly. It was thought that Cu 5 AlSn 2 S 8 could be produced so as to have a structure arranged inside. If Al is randomly arranged in the crystal, the vibration of the entire crystal becomes incongruent, and the lattice thermal conductivity κlat of the crystal of Cu 5 AlSn 2 S 8 having such a structure is non-patent document 3. It is thought that it will be lower than expected. In order for a certain element to exist randomly in the crystal as described above, it is preferable to take a number of metastable phase configurations as energy close to the most stable phase. The difference between these energies is preferably 0.03 eV or less, which is the thermal energy at room temperature, more preferably 0.01 eV or less, and still more preferably 0.005 eV or less.

本発明者らのこのような考えに基づくと、格子熱伝導率κlatを低減できる材料は、Cu5AlSn28に限定されない。Cu5AlSn28は、Cu2SnS3と、CuAlS2とを物質量基準で、2:1の割合で組み合わせた組成を有する。このため、Cu2SnS3と別の材料を別の割合で組み合わせた材料が低い格子熱伝導率κlatを有する可能性がある。特に、これらの2つの材料が類似の結晶構造を有すると、低い格子熱伝導率κlatを有するという効果を高めることができる可能性がある。これは、2つの材料が類似の結晶構造を有することにより、固溶体の割合が変わった場合でも多様な固溶状態を取りうるので、Al等の特定の元素の配置のランダム性を向上させることができるためであると考えられる。換言すると、広い固溶限界を有する2つ以上の材料の組み合わせを用いることが好ましい。類似の結晶構造を有する2つの材料の固溶限界は広いので、このような材料を用いることが好ましい。 Based on these ideas of the present inventors, the material capable of reducing the lattice thermal conductivity κlat is not limited to Cu 5 AlSn 2 S 8 . Cu 5 AlSn 2 S 8 has a composition in which Cu 2 SnS 3 and CuAlS 2 are combined at a ratio of 2: 1 based on the amount of substances. Therefore, materials which combine Cu 2 SnS 3 and another material with a different ratio is likely to have a low lattice thermal conductivity Kappalat. In particular, if these two materials have similar crystal structures, the effect of having a low lattice thermal conductivity κlat may be enhanced. This is because, since the two materials have similar crystal structures, a variety of solid solution states can be taken even when the ratio of the solid solution changes, so that the randomness of the arrangement of specific elements such as Al can be improved. This is considered to be possible. In other words, it is preferable to use a combination of two or more materials having a wide solubility limit. Two materials having a similar crystal structure have a wide solid solution limit, and thus it is preferable to use such a material.

非特許文献4の硫化物は、300Kにおいて比較的低い熱伝導率を有するものの、毒性を有するTl(タリウム)を比較的多く含有する必要がある。そこで、本発明者らは、銅及びスズ以外の金属元素としてより安全な金属を選択することも可能であり、硫化物における銅及びスズ以外の金属の含有量を所定の値以下に制限することによって、より安全に、300Kにおいて低い格子熱伝導率を有する硫化物を提供することが重要であると考えた。   Although the sulfide of Non-Patent Document 4 has a relatively low thermal conductivity at 300K, it needs to contain a relatively large amount of toxic Tl (thallium). Therefore, the present inventors can also select a safer metal as a metal element other than copper and tin, and limit the content of metals other than copper and tin in the sulfide to a predetermined value or less. Therefore, it was considered important to provide sulfides having a lower lattice thermal conductivity at 300K more safely.

本発明者らは、銅、スズ、スズ以外の典型金属元素を含む硫化物に着目し、格子熱伝導率κlatが低い硫化物を開発するため多大な試行錯誤を重ねた。加えて、硫化物におけるスズ以外の典型金属元素の物質量基準の含有量を少なくすることにも留意して新規な硫化物の開発を試みた。その結果、本発明者らは、スズ以外の典型金属元素の含有量が少なく、300Kにおいて低い格子熱伝導率を有する硫化物を新たに見出した。   The inventors focused on sulfides containing typical metal elements other than copper, tin, and tin, and repeated a great deal of trial and error in order to develop sulfides having a low lattice thermal conductivity κlat. In addition, we tried to develop new sulfides, paying attention to reducing the content of typical metal elements other than tin in sulfides. As a result, the present inventors have newly found a sulfide having a small content of typical metal elements other than tin and having a low lattice thermal conductivity at 300K.

以下、本発明の実施形態について説明する。なお、以下の説明は本発明の一例に関するものであり、本発明はこれらに限定されるものではない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described. The following description relates to an example of the present invention, and the present invention is not limited to these.

<硫化物>
本発明の実施形態に係る硫化物は、銅と、スズと、スズ以外の少なくとも1つの典型金属元素とを含んでいる。この硫化物に含まれる金属の全量における銅の含有率が10モル%以上である。この硫化物に含まれる金属の全量におけるスズの含有率が10モル%以上である。この硫化物に含まれる金属の全量におけるスズ以外の典型金属元素の含有率が10モル%以上かつ30モル%以下である。このため、硫化物に含まれる金属の全量におけるスズ以外の典型金属元素の含有量が低い。加えて、この硫化物は、300Kにおいて1.3W/(m・K)以下の格子熱伝導率を有する。
<Sulphides>
The sulfide according to the embodiment of the present invention includes copper, tin, and at least one typical metal element other than tin. The copper content in the total amount of metal contained in the sulfide is 10 mol% or more. The tin content in the total amount of metals contained in the sulfide is 10 mol% or more. The content of typical metal elements other than tin in the total amount of metals contained in the sulfide is 10 mol% or more and 30 mol% or less. For this reason, the content of typical metal elements other than tin in the total amount of metals contained in the sulfide is low. In addition, this sulfide has a lattice thermal conductivity of less than 1.3 W / (m · K) at 300K.

硫化物に含まれる金属の全量における銅の含有率は、例えば10モル%以上、場合によっては30モル%以上、さらには50モル%以上でありうる。また、硫化物に含まれる金属の全量における銅の含有率は、例えば80モル%以下である。硫化物に含まれる金属の全量における銅の含有率が10モル%以上であれば、硫化物の結晶構造が閃亜鉛鉱型構造になりやすい。また、硫化物に含まれる金属の全量における銅の含有率が30モル%以上であれば、エネルギー的に安定になりやすい。   The copper content in the total amount of metals contained in the sulfide may be, for example, 10 mol% or more, in some cases 30 mol% or more, and even 50 mol% or more. Moreover, the content rate of copper in the whole quantity of the metal contained in a sulfide is 80 mol% or less, for example. If the copper content in the total amount of metals contained in the sulfide is 10 mol% or more, the crystal structure of the sulfide is likely to be a zinc blende structure. Moreover, if the copper content in the total amount of metals contained in the sulfide is 30 mol% or more, the energy tends to be stable.

硫化物に含まれる金属の全量におけるスズの含有率は、例えば10モル%以上、場合によっては15モル%以上、さらには20モル%以上でありうる。また、硫化物に含まれる金属の全量におけるスズの含有率は、例えば80モル%以下である。   The tin content in the total amount of metal contained in the sulfide may be, for example, 10 mol% or more, in some cases 15 mol% or more, and even 20 mol% or more. Further, the tin content in the total amount of metal contained in the sulfide is, for example, 80 mol% or less.

硫化物に含まれる金属の全量におけるスズの含有率は、場合によっては、22モル%以上であることが望ましく、25モル%以上であることがより望ましい。一方、硫化物に含まれる金属の全量におけるスズの含有率は、40モル%以下であることが望ましい。硫化物に含まれる金属の全量におけるスズの含有率が22モル%以上、かつ、40モル%以下であれば、硫化物の結晶構造が閃亜鉛鉱型構造になりやすい。さらに、硫化物に含まれる金属の全量におけるスズの含有率が25モル%以上であれば、硫化物が取りうるコンフィギュレーションが多くなり、硫化物の熱伝導率を低減しやすい。   In some cases, the tin content in the total amount of metal contained in the sulfide is desirably 22 mol% or more, and more desirably 25 mol% or more. On the other hand, the tin content in the total amount of metals contained in the sulfide is desirably 40 mol% or less. If the tin content in the total amount of metals contained in the sulfide is 22 mol% or more and 40 mol% or less, the crystal structure of the sulfide tends to be a zinc blende structure. Furthermore, if the tin content in the total amount of metal contained in the sulfide is 25 mol% or more, the number of configurations that the sulfide can take increases, and the thermal conductivity of the sulfide can be easily reduced.

硫化物に含まれる金属の全量におけるスズ以外の典型金属元素の含有率は、望ましくは10モル%以上であり、より望ましくは12モル%以上である。硫化物に含まれる金属の全量におけるスズ以外の典型金属元素の含有率は、望ましくは30モル%以下であり、より望ましくは25モル%以下である。硫化物に含まれる金属の全量におけるスズ以外の典型金属元素の含有率が10モル%以上であれば、銅又はスズを置換する十分な量の典型金属元素が存在する。硫化物に含まれる金属の全量におけるスズ以外の典型金属元素の含有率が30モル%以下であれば、硫化物が様々な結晶構造を有しうるので、より多くの種類の材料を提供できる。   The content of typical metal elements other than tin in the total amount of metals contained in the sulfide is desirably 10 mol% or more, and more desirably 12 mol% or more. The content of typical metal elements other than tin in the total amount of metals contained in the sulfide is desirably 30 mol% or less, and more desirably 25 mol% or less. If the content of typical metal elements other than tin in the total amount of metals contained in the sulfide is 10 mol% or more, there is a sufficient amount of typical metal elements to replace copper or tin. If the content of the typical metal element other than tin in the total amount of metals contained in the sulfide is 30 mol% or less, the sulfide can have various crystal structures, and thus more types of materials can be provided.

硫化物に含まれる金属の全量におけるスズ以外の典型金属元素の含有率は、場合によっては、18モル%以下であることが望ましく、15モル%以下であることがより望ましい。硫化物に含まれる金属の全量におけるスズ以外の典型金属元素の含有率が18モル%以下であれば、硫化物においてスズ以外の典型金属元素が結晶構造中で規則的に配置されることによって格子熱伝導率が高まることを抑制できる。さらに、硫化物に含まれる金属の全量におけるスズ以外の典型金属元素の含有率が15モル%以下であれば、スズ以外の典型金属元素がよりランダムに構造中に存在することができるため、より効率的に格子熱伝導率を低減させることができる。   In some cases, the content of typical metal elements other than tin in the total amount of metals contained in the sulfide is desirably 18 mol% or less, and more desirably 15 mol% or less. If the content of typical metal elements other than tin in the total amount of metals contained in the sulfide is 18 mol% or less, the typical metal elements other than tin in the sulfide are regularly arranged in the crystal structure. An increase in thermal conductivity can be suppressed. Furthermore, if the content of the typical metal element other than tin in the total amount of the metal contained in the sulfide is 15 mol% or less, the typical metal element other than tin can be present in the structure more randomly. The lattice thermal conductivity can be reduced efficiently.

硫化物において、場合によっては、望ましくは下記(I)及び(II)の条件を満たす。
(I)硫化物に含まれる金属の全量におけるスズの含有率が22モル%以上、かつ、40モル%以下である。
(II)硫化物に含まれる金属の全量におけるスズ以外の典型金属元素の含有率10モル%以上、かつ、18モル%以下である。
In the sulfide, the following conditions (I) and (II) are preferably satisfied in some cases.
(I) The tin content in the total amount of metal contained in the sulfide is 22 mol% or more and 40 mol% or less.
(II) The content of typical metal elements other than tin in the total amount of metals contained in the sulfide is 10 mol% or more and 18 mol% or less.

硫化物が上記(I)及び(II)の条件を満たす場合、望ましくは、下記(III)の条件をさらに満たす。
(III)硫化物に含まれる金属の全量における銅の含有率が42モル%以上、かつ、68モル%以下である。
When the sulfide satisfies the above conditions (I) and (II), it preferably further satisfies the following condition (III).
(III) The copper content in the total amount of metal contained in the sulfide is 42 mol% or more and 68 mol% or less.

硫化物が(I)〜(III)の条件を満たす場合、硫化物に含まれる金属の全量における銅の含有率は、より望ましくは、62%以上である。   When the sulfide satisfies the conditions (I) to (III), the copper content in the total amount of metals contained in the sulfide is more preferably 62% or more.

硫化物は、スズ以外の典型金属元素として、2種類以上の典型金属元素を含んでいてもよい。この場合、硫化物に含まれる金属の全量におけるスズ以外の典型金属元素の含有率は、各種類の典型金属元素の含有率の和である。   The sulfide may contain two or more kinds of typical metal elements as typical metal elements other than tin. In this case, the content rate of the typical metal elements other than tin in the total amount of the metal contained in the sulfide is the sum of the content rates of the respective types of typical metal elements.

硫化物に含まれるスズ以外の典型金属元素は、望ましくは、3価である。これにより、硫化物におけるスズ以外の典型金属元素の含有量が低くなりやすい。なお、タリウムは、1価として振る舞うことが多い。   The typical metal element other than tin contained in the sulfide is desirably trivalent. Thereby, content of typical metal elements other than tin in sulfide tends to be low. Thallium often behaves as a monovalent.

硫化物に含まれるスズ以外の典型金属元素は、望ましくは、Al及びInの少なくとも1つである。この場合、より確実に、300Kにおける硫化物の格子熱伝導率が低い。   The typical metal element other than tin contained in the sulfide is desirably at least one of Al and In. In this case, the lattice thermal conductivity of sulfide at 300K is more surely low.

硫化物は、望ましくは、Cu5AlxIn1-xSn28で表される組成を有する。ここで
、xは0〜1である。この場合、より確実に、300Kにおける硫化物の格子熱伝導率が低い。
The sulfide desirably has a composition represented by Cu 5 Al x In 1-x Sn 2 S 8 . Here, x is 0-1. In this case, the lattice thermal conductivity of sulfide at 300K is more surely low.

硫化物は、望ましくは、主としてアニオンが四面体状に配置された結晶構造を有する。アニオンが四面体状に配置された構造として、例えば、閃亜鉛鉱型構造、ウルツ鉱型構造、及び逆蛍石型構造等の結晶構造が挙げられる。硫化物は、より望ましくは、閃亜鉛鉱型構造及びウルツ鉱型構造の少なくとも1つの結晶構造を有し、さらに望ましくは、閃亜鉛鉱型構造を有する。閃亜鉛鉱型の結晶構造は、アニオンの立方最密充填格子を広げた構造であり、アニオンからなる四面体の空隙のうちの半分がカチオンで占められた構造である。そのため、閃亜鉛鉱型の結晶構造において、カチオンサイトが大きさの異なる元素で置換されたとしても、カチオンで占有されていない残り半分の空隙が構造の歪を緩衝する。このため、閃亜鉛鉱型の結晶構造において特定の割合以下の元素がカチオンを置換できると考えられる。また、閃亜鉛鉱型構造は、同じ元素から構成されているチオスピネル型の結晶構造を有する硫化物と比べて、高い電気伝導率を有しやすく、熱電変換材料として有利な特性を有する。なお、閃亜鉛鉱型類似の構造として、コルーサイト型構造、ジャーマナイト型構造、スタンナイト型構造、及びケステライト型構造等の構造が挙げられる。これらの構造もアニオンが四面体状に配置された構造である。   The sulfide desirably has a crystal structure in which mainly anions are arranged in a tetrahedral shape. Examples of the structure in which the anions are arranged in a tetrahedral shape include crystal structures such as a zinc blende structure, a wurtzite structure, and an inverted fluorite structure. The sulfide more desirably has at least one crystal structure of a zinc blende structure and a wurtzite structure, and more desirably has a zinc blende structure. The zinc-blende-type crystal structure is a structure in which the cubic close-packed lattice of anions is expanded, and half of the voids of the tetrahedron made of anions are occupied by cations. Therefore, even if the cation site is substituted with an element having a different size in the zinc blende type crystal structure, the remaining half of the void not occupied by the cation buffers the distortion of the structure. For this reason, it is considered that an element of a specific ratio or less can replace the cation in the zinc blende type crystal structure. In addition, the zincblende structure has a higher electric conductivity than the sulfide having a thiospinel-type crystal structure composed of the same elements, and has advantageous characteristics as a thermoelectric conversion material. Examples of the structure similar to the zinc blende type include structures such as a corusite type structure, a germanite type structure, a stannite type structure, and a kesterite type structure. These structures are also structures in which anions are arranged in a tetrahedral shape.

硫化物は、銅、スズ、及びスズ以外の典型金属元素とは異なる異種金属を含んでいてもよい。硫化物に含まれる金属の全量における異種金属の含有率は、例えば5モル%以下であり、望ましくは3モル%以下であり、より望ましくは1モル%以下である。硫化物は、異種金属を実質的に含んでいないことがとりわけ望ましい。これにより、より確実に、300Kにおける硫化物の格子熱伝導率を低くできる。本明細書において、「実質的に含んでいない」とは、原料又は生産設備などの生産上の理由で不可避的に異種金属が混入してしまう場合を除き意図的に異種金属を含有させないことを意味する。   The sulfide may contain a different metal from copper, tin, and a typical metal element other than tin. The dissimilar metal content in the total amount of metals contained in the sulfide is, for example, 5 mol% or less, desirably 3 mol% or less, and more desirably 1 mol% or less. It is particularly desirable that the sulfide is substantially free of foreign metals. Thereby, the lattice thermal conductivity of sulfide at 300K can be reduced more reliably. In the present specification, “substantially does not contain” means that a foreign metal is intentionally not contained unless the foreign metal is inevitably mixed for production reasons such as raw materials or production equipment. means.

上記の硫化物は、例えば、銅の粉末、スズの粉末、スズ以外の典型金属元素の粉末、及び硫黄の粉末を混合して得られた粉体を焼結することによって製造できる。これらの粉末の混合には、例えば、ボールミル等の公知の装置を使用できる。また、粉体を焼結する方法は、例えば、放電プラズマ焼結(Spark Plasma Sintering)又はホットプレスである。焼結温度は、例えば、150℃〜1500℃であり、望ましくは、200℃〜1000℃である。焼結時間は、例えば、0分〜10分であり、望ましくは、0〜5分である。また、焼結工程の開始から焼結工程中の最高温度に到達するまでに必要な昇温時間は、例えば、2分〜10分である。例えば、粉体が充填されたダイの内部の温度を上記の昇温時間で最高温度まで昇温させ、ダイの内部の温度を最高温度で所定の時間(焼結時間)保ち、その後加熱を停止して焼結体を自然冷却させる。焼結工程中に粉体を加圧する圧力は、例えば、0.5MPa〜100MPaであり、望ましくは、5MPa〜50MPaである。ペレットのサイズが大きい場合又はペレットの機械的強度を高くする必要がある場合には、均一な焼結体を得るために、焼結時間又は昇温時間をさらに長くすることが好ましい。この焼結工程は、不活性ガス雰囲気又は真空雰囲気において行うことができる。この焼結工程は、望ましくは真空雰囲気で行われる。   The sulfide can be produced, for example, by sintering a powder obtained by mixing a copper powder, a tin powder, a powder of a typical metal element other than tin, and a sulfur powder. For mixing these powders, for example, a known apparatus such as a ball mill can be used. The method for sintering the powder is, for example, spark plasma sintering or hot pressing. The sintering temperature is, for example, 150 ° C. to 1500 ° C., and desirably 200 ° C. to 1000 ° C. The sintering time is, for example, 0 minutes to 10 minutes, and preferably 0 to 5 minutes. Moreover, the temperature increase time required from the start of a sintering process until it reaches the maximum temperature in a sintering process is 2 minutes-10 minutes, for example. For example, the temperature inside the die filled with powder is raised to the maximum temperature during the above temperature rise time, the temperature inside the die is kept at the maximum temperature for a predetermined time (sintering time), and then heating is stopped. Then, the sintered body is naturally cooled. The pressure for pressing the powder during the sintering process is, for example, 0.5 MPa to 100 MPa, and desirably 5 MPa to 50 MPa. When the size of the pellet is large or when it is necessary to increase the mechanical strength of the pellet, it is preferable to further increase the sintering time or the temperature raising time in order to obtain a uniform sintered body. This sintering step can be performed in an inert gas atmosphere or a vacuum atmosphere. This sintering step is desirably performed in a vacuum atmosphere.

上記の硫化物は、溶融法、水熱合成法、又は液相還元法等の方法によって合成されてもよい。特に、液相還元法によって合成されたナノメートルオーダー(例えば、100nm以下の粒子径を有する)の硫化物の粒子は、その粒子径を調節することによって効率的にフォノンを散乱して、低い格子熱伝導率を示すことが期待される。   The above sulfides may be synthesized by a method such as a melting method, a hydrothermal synthesis method, or a liquid phase reduction method. In particular, a sulfide particle of nanometer order (for example, having a particle size of 100 nm or less) synthesized by a liquid phase reduction method efficiently scatters phonons by adjusting the particle size, resulting in a low lattice. It is expected to show thermal conductivity.

溶融法は、原料を高温で反応させ、目的の化合物を得る方法である。溶融法の一例は、目的とする材料の物質量比となるように原料を石英管等に真空封入し、例えば、電気炉等の加熱装置を用いて、所定の反応温度で原料を反応させる方法である。   The melting method is a method of obtaining a target compound by reacting raw materials at a high temperature. An example of a melting method is a method in which a raw material is vacuum-sealed in a quartz tube or the like so as to have a substance amount ratio of a target material, and the raw material is reacted at a predetermined reaction temperature using a heating device such as an electric furnace It is.

水熱合成法の一例について説明する。目的とする材料の物質量比となるように、銅化合物、スズ化合物、スズ以外の典型金属元素、及び硫黄化合物又は単体の硫黄を水中に添加しつつ混合して混合液を調製する。次に、150〜300℃の温度及び0.5〜9MPa(メガパスカル)の圧力の環境にその混合液を所定期間置いて水熱合成を行う。この製造方法における銅化合物は、例えば、CuCl及びCuCl2等の塩化物、Cu(NO32等の硝酸銅、又はCu(CH3COO)及びCu(CH3COO)2等の酢酸銅である。この製造方法におけるスズ化合物は、例えば、SnCl2及びSnCl4等の塩化物、硝酸スズ、又は酢酸スズである。この製造方法における硫黄化合物は、例えば、チオ尿素及びチオアセトアミド等の有機硫黄化合物である。また、スズ以外の典型金属元素に関しては、その金属元素の供給源として、例えば、塩化物、硝酸塩、及び酢酸塩などの化合物を用いることができる。 An example of the hydrothermal synthesis method will be described. A mixed solution is prepared by adding a copper compound, a tin compound, a typical metal element other than tin, and a sulfur compound or simple sulfur to water so as to obtain a substance amount ratio of the target material, and mixing them in water. Next, hydrothermal synthesis is performed by placing the mixed solution in an environment having a temperature of 150 to 300 ° C. and a pressure of 0.5 to 9 MPa (megapascal) for a predetermined period. The copper compound in this manufacturing method is, for example, chloride such as CuCl and CuCl 2, copper nitrate such as Cu (NO 3 ) 2 , or copper acetate such as Cu (CH 3 COO) and Cu (CH 3 COO) 2. is there. The tin compound in this production method is, for example, chlorides such as SnCl 2 and SnCl 4 , tin nitrate, or tin acetate. The sulfur compound in this production method is, for example, an organic sulfur compound such as thiourea and thioacetamide. For typical metal elements other than tin, for example, compounds such as chlorides, nitrates, and acetates can be used as a supply source of the metal elements.

液相還元法の一例について説明する。まず、硫化物に含まれる金属の全量における銅、スズ、及びスズ以外の典型金属元素の含有率が上記の範囲になるように、有機溶媒中に銅化合物、スズ化合物、スズ以外の典型金属元素の化合物、及び硫黄化合物及び/又は単体の硫黄を含む混合液を調製する。混合液の調製は、例えば、常温及び常圧の環境で行われる。次に、不活性ガスで満たされた150〜350℃の温度の環境にその混合液を所定期間置いて熱電変換材料の合成を行う。   An example of the liquid phase reduction method will be described. First, typical metal elements other than copper compounds, tin compounds, and tin in the organic solvent so that the content of typical metal elements other than copper, tin, and tin in the total amount of metal contained in the sulfide is in the above range. And a mixed solution containing a sulfur compound and / or simple sulfur. Preparation of a liquid mixture is performed in the environment of normal temperature and a normal pressure, for example. Next, the liquid mixture is placed in an environment filled with an inert gas at a temperature of 150 to 350 ° C. for a predetermined period to synthesize a thermoelectric conversion material.

この方法において、銅化合物は、例えば、(i)CuCl及びCuCl2等の塩化物、(ii)Cu(NO32等の硝酸銅、(iii)Cu(CH3COO)、Cu(CH3COO)2、及びネオデカン酸銅等のカルボン酸銅、又は(iv)有機溶媒に可溶な銅アセチルアセトナート等の錯体化合物である。この方法において、スズ化合物は、例えば、SnCl2及びSnCl4等の塩化物、硝酸スズ、カルボン酸スズ、スズアセチルアセトナート等の錯体化合物である。この方法において、スズ以外の典型金属元素の化合物は、例えばその典型金属元素の塩化物、硝酸化合物、カルボン酸化合物、又はアセチルアセトナート等の錯体化合物である。この方法における、硫黄化合物は、例えば、(i)オクタンチオール、デカンチオール、及びドデカンチオール等のチオール、(ii)オクタンジチオール、デカンジチオール、及びドデカンジチオール等のジチオール、(iii)チオ尿素、又は(iv)チオアセトアミド等の有機硫黄化合物である。有機硫黄化合物は、望ましくは、チオール等の液体有機硫黄化合物である。この場合、混合液において、液体有機硫黄化合物が有機溶媒としての役割を果たすことができる。混合液には、液体有機硫黄化合物以外の液体有機化合物が含まれてもよい。そのような液体有機化合物としては、例えば、(i)オレイルアミン等のアミン、(ii)ミリストレイン酸、パルミトレイン酸、及びオレイン酸等の不飽和脂肪酸、又は(iii)エチレングリコール、トリエチレングリコール、及びテトラエチレングリコール等の多価アルコールを挙げることができる。 In this method, the copper compound include, for example, (i) chlorides such as CuCl and CuCl 2, (ii) Cu ( NO 3) 2 and the like copper nitrate, (iii) Cu (CH 3 COO), Cu (CH 3 COO) 2 and a carboxylate copper such as copper neodecanoate, or (iv) a complex compound such as copper acetylacetonate soluble in an organic solvent. In this method, the tin compound is a complex compound such as a chloride such as SnCl 2 and SnCl 4 , tin nitrate, tin carboxylate, and tin acetylacetonate. In this method, the compound of a typical metal element other than tin is, for example, a chloride, a nitric acid compound, a carboxylic acid compound, or a complex compound such as acetylacetonate of the typical metal element. In this method, the sulfur compound is, for example, (i) thiol such as octanethiol, decanethiol, and dodecanethiol, (ii) dithiol such as octanedithiol, decanedithiol, and dodecanedithiol, (iii) thiourea, or ( iv) Organic sulfur compounds such as thioacetamide. The organic sulfur compound is desirably a liquid organic sulfur compound such as thiol. In this case, the liquid organic sulfur compound can serve as an organic solvent in the mixed solution. The liquid mixture may contain a liquid organic compound other than the liquid organic sulfur compound. Examples of such liquid organic compounds include (i) amines such as oleylamine, (ii) unsaturated fatty acids such as myristoleic acid, palmitoleic acid, and oleic acid, or (iii) ethylene glycol, triethylene glycol, and Mention may be made of polyhydric alcohols such as tetraethylene glycol.

この方法において使用される不活性ガスは、混合液に対し不活性である限り特に制限されないが、例えば、アルゴン等の希ガス又は窒素である。混合液が置かれる環境における圧力は、望ましくは常圧である。   The inert gas used in this method is not particularly limited as long as it is inert with respect to the mixed solution, and is, for example, a rare gas such as argon or nitrogen. The pressure in the environment where the liquid mixture is placed is desirably normal pressure.

この製造方法において、不活性ガスで満たされた150〜350℃の温度の環境を保つ期間は、例えば1〜5時間である。   In this manufacturing method, the period for maintaining the environment of 150 to 350 ° C. filled with the inert gas is, for example, 1 to 5 hours.

<熱電変換材料>
この硫化物の300Kにおける格子熱伝導率は低く、この硫化物は熱電変換材料にとって有利な特性を有する。このため、本発明に係る熱電変換材料は、上記の硫化物を含有する。熱電変換材料は、この硫化物のみから構成されていてもよいし、この硫化物とともに他の成分をさらに含んでいてもよい。なお、この硫化物は、熱電変換材料以外の用途で利用できる可能性もある。例えば、この硫化物は、太陽電池の材料として利用できる可能性もある。
<Thermoelectric conversion material>
This sulfide has a low lattice thermal conductivity at 300K, and this sulfide has advantageous properties for thermoelectric conversion materials. For this reason, the thermoelectric conversion material which concerns on this invention contains said sulfide. The thermoelectric conversion material may be comprised only from this sulfide, and may further contain another component with this sulfide. In addition, there is a possibility that this sulfide can be used for applications other than thermoelectric conversion materials. For example, this sulfide may be used as a material for solar cells.

<熱電変換素子>
上記の硫化物を含有する熱電変換材料を用いて、熱電変換素子を作製できる。この場合、熱電変換素子は、上記の硫化物を含有する熱電変換材料を備える。
<Thermoelectric conversion element>
A thermoelectric conversion element can be produced using the thermoelectric conversion material containing the sulfide. In this case, the thermoelectric conversion element includes a thermoelectric conversion material containing the sulfide.

例えば、熱電変換素子は、上記の硫化物を含有する熱電変換材料と、熱電変換材料に接続された導体とを備えている。図1Aに示す通り、熱電変換素子1は、例えば、複数の第一熱電変換材料10と、第一熱電変換材料10と交互に配置された複数の第二熱電変換材料20と、隣り合う第一熱電変換材料10と第二熱電変換材料20とを接続する導体30とを備えている。例えば、複数の第一熱電変換材料10及び複数の第二熱電変換材料20は、導体30によって直列に接続されている。第一熱電変換材料10は、上記の硫化物を含有する熱電変換材料である。一方、第二熱電変換材料20は、熱電変換素子に使用可能な公知のn型半導体である。図1Aに示す通り、導体30は、例えば所定の基板40a又は基板40b上に配置されている。基板40a及び基板40bのそれぞれは、例えば高い熱伝導率を有するセラミック製の基板である。   For example, a thermoelectric conversion element includes a thermoelectric conversion material containing the above sulfide and a conductor connected to the thermoelectric conversion material. As shown in FIG. 1A, the thermoelectric conversion element 1 includes, for example, a plurality of first thermoelectric conversion materials 10 and a plurality of second thermoelectric conversion materials 20 arranged alternately with the first thermoelectric conversion materials 10 and first adjacent to each other. A conductor 30 that connects the thermoelectric conversion material 10 and the second thermoelectric conversion material 20 is provided. For example, the plurality of first thermoelectric conversion materials 10 and the plurality of second thermoelectric conversion materials 20 are connected in series by a conductor 30. The first thermoelectric conversion material 10 is a thermoelectric conversion material containing the above sulfide. On the other hand, the second thermoelectric conversion material 20 is a known n-type semiconductor that can be used for a thermoelectric conversion element. As shown in FIG. 1A, the conductor 30 is disposed, for example, on a predetermined substrate 40a or substrate 40b. Each of the substrate 40a and the substrate 40b is a ceramic substrate having a high thermal conductivity, for example.

図1Bに示す通り、熱電変換素子2は、例えば、複数の第一熱電変換材料50と、隣り合う第一熱電変換材料50同士を接続する導体60とを備えている。例えば、複数の第一熱電変換材料50は、導体60によって直列に接続されている。第一熱電変換材料50は、上記の硫化物を含有する熱電変換材料である。図1Bに示す通り、導体60は、例えば所定の基板70a又は基板70b上に配置されている。基板70a及び基板70bのそれぞれは、例えば高い熱伝導率を有するセラミック製の基板である。   As shown in FIG. 1B, the thermoelectric conversion element 2 includes, for example, a plurality of first thermoelectric conversion materials 50 and a conductor 60 that connects the adjacent first thermoelectric conversion materials 50. For example, the plurality of first thermoelectric conversion materials 50 are connected in series by the conductor 60. The first thermoelectric conversion material 50 is a thermoelectric conversion material containing the above sulfide. As shown in FIG. 1B, the conductor 60 is disposed on, for example, a predetermined substrate 70a or substrate 70b. Each of the substrate 70a and the substrate 70b is, for example, a ceramic substrate having high thermal conductivity.

以下に、実施例を用いて本発明をより詳細に説明する。なお、以下の実施例は本発明の一例であり、本発明は以下の実施例に限定されない。   Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to examples. The following examples are examples of the present invention, and the present invention is not limited to the following examples.

<実施例1>
銅の粉末1.137g、アルミニウムの粉末0.097g、スズの粉末0.849g、及び硫黄の粉末0.918gをレッチェ社製の遊星ボールミルに仕込み、400rpm(revolutions per minute)で9分間回転した後1分間停止する動作を3時間繰り返して粉体を得た。得られた粉体を放電プラズマ焼結装置(シンターランド社製、型番:LABOX-125)で焼結した。この焼結は、直径10mmのダイに0.75gの粉体を充填し、ダイの内部の温度を800℃まで100℃/分の速度で上昇させ、その後ダイの内部の温度を800℃で2分間保つことによって行われた。その後、ダイの内部から取り出した焼結品であるペレットの両面を、JIS R 6001:1998に基づく粒度が#2000である研磨紙を用いて研磨し、実施例1に係るサンプルを得た。
<Example 1>
1.137 g of copper powder, 0.097 g of aluminum powder, 0.849 g of tin powder and 0.918 g of sulfur powder were charged into a planetary ball mill manufactured by Lecce and rotated for 9 minutes at 400 rpm (revolutions per minute). The operation of stopping for 1 minute was repeated for 3 hours to obtain a powder. The obtained powder was sintered by a discharge plasma sintering apparatus (manufactured by Sinterland, model number: LABOX-125). In this sintering, a die having a diameter of 10 mm is filled with 0.75 g of powder, the temperature inside the die is increased to 800 ° C. at a rate of 100 ° C./minute, and then the temperature inside the die is increased to 2 ° C. at 800 ° C. Made by keeping minutes. Thereafter, both surfaces of the pellets, which are sintered products taken out from the inside of the die, were polished using abrasive paper having a particle size of # 2000 based on JIS R 6001: 1998, and a sample according to Example 1 was obtained.

<実施例2>
銅の粉末1.029g、アルミニウムの粉末0.372g、スズの粉末0.759g、及び硫黄の粉末0.831gを用い、焼結温度を600℃に変更した以外は、実施例1と同様にして、実施例2に係るサンプルを得た。
<Example 2>
Example 1 except that 1.029 g of copper powder, 0.372 g of aluminum powder, 0.759 g of tin powder, and 0.831 g of sulfur powder were used and the sintering temperature was changed to 600 ° C. A sample according to Example 2 was obtained.

<実施例3>
銅の粉末1.080g、アルミニウムの粉末0.046g、インジウムの粉末0.195g、スズの粉末0.807g、及び硫黄の粉末0.872gを用いた以外は、実施例1と同様にして、実施例3に係るサンプルを得た。
<Example 3>
Implementation as in Example 1 except that 1.080 g of copper powder, 0.046 g of aluminum powder, 0.195 g of indium powder, 0.807 g of tin powder and 0.872 g of sulfur were used. A sample according to Example 3 was obtained.

<実施例4>
ネオデカン酸銅20mmol、2−エチルヘキサン酸インジウム4mmol、2−エチルヘキサン酸スズ8mmol、ドデカンチオール100ml、及びオレイルアミン100mlを混合して撹拌し、均一に分散した混合液Aを得た。次に、アルゴンガスで満たされた空間に混合液Aの入った容器を置き、混合液Aを260℃に加熱しつつ3時間撹拌することによって、粒子が析出した液体が得られた。このようにして得られた液体に、メタノールを加え、5000rpmで5分間遠心分離処理を行って、沈殿物を回収した。回収した沈殿物をヘキサン及びメタノールで洗浄した。その後、得られた沈殿物を50mlのトルエン中に分散させ、この分散液を2.5gのチオ尿素をメタノールに溶解させた溶液と混合し、この混合液を超音波処理にかけ、表面処理剤を置換した。その後、ヘキサン、メタノール、及びトルエンで固形物を洗浄し、さらに、真空乾燥器を用いて固形物を真空乾燥させた。このようにして、実施例4に係る粉末を得た。焼結温度を600℃にしたこと以外は実施例1と同様にして、実施例4に係る粉末を焼結及び研磨し、実施例4に係るサンプルを得た。
<Example 4>
20 mmol of neodecanoic acid copper, 4 mmol of indium 2-ethylhexanoate, 8 mmol of tin 2-ethylhexanoate, 100 ml of dodecanethiol, and 100 ml of oleylamine were mixed and stirred to obtain a uniformly dispersed mixture A. Next, a container containing the mixed solution A was placed in a space filled with argon gas, and the mixed solution A was stirred for 3 hours while being heated to 260 ° C., thereby obtaining a liquid in which particles were deposited. Methanol was added to the liquid thus obtained and centrifuged at 5000 rpm for 5 minutes to collect precipitates. The collected precipitate was washed with hexane and methanol. Thereafter, the obtained precipitate is dispersed in 50 ml of toluene, this dispersion is mixed with a solution of 2.5 g of thiourea dissolved in methanol, the mixture is subjected to ultrasonic treatment, and the surface treatment agent is added. Replaced. Thereafter, the solid was washed with hexane, methanol, and toluene, and further, the solid was vacuum dried using a vacuum dryer. Thus, the powder which concerns on Example 4 was obtained. The powder according to Example 4 was sintered and polished in the same manner as in Example 1 except that the sintering temperature was changed to 600 ° C., and a sample according to Example 4 was obtained.

<熱伝導率の測定>
実施例1〜4に係るサンプルを用いて300〜700Kの範囲の複数の温度における熱伝導率を測定した。熱伝導率の測定には、レーザーフラッシュ法熱物性測定装置(京都電子工業社製、製品名:LFA-502)を用いた。結果を図2A〜図2Dに示す。
<Measurement of thermal conductivity>
Thermal conductivity at a plurality of temperatures in the range of 300 to 700K was measured using the samples according to Examples 1 to 4. For the measurement of thermal conductivity, a laser flash method thermophysical property measuring apparatus (manufactured by Kyoto Electronics Industry Co., Ltd., product name: LFA-502) was used. The results are shown in FIGS. 2A to 2D.

<電気伝導率及びゼーベック係数の測定>
熱電特性評価装置(オザワ科学社製、製品名:RZ2001i)又は熱電特性評価装置(アルバック理工社製、製品名:ZEM-3)を用いて、実施例1〜4に係るサンプルの電気伝導率σを測定した。この測定を複数回行った。結果を図3A〜図3Dに示す。なお、実施例1〜4に係るサンプルの電気伝導率σの逆数をとって電気抵抗率ρを求めた。結果を図3A〜図3Dに示す。上記の熱電特性評価装置を用いて実施例1〜4に係るサンプルのゼーベック係数Sを測定した。結果を図4A〜図4Dに示す。実施例1〜4に係るサンプルにおいて、ゼーベック係数S及び電気伝導率σから下記の式(5)に基づいてパワーファクターPFを求めた。結果を図4A〜図4Dに示す。
PF=S2σ (5)
<Measurement of electrical conductivity and Seebeck coefficient>
Electrical conductivity σ of the samples according to Examples 1 to 4 using a thermoelectric property evaluation apparatus (manufactured by Ozawa Science Co., Ltd., product name: RZ2001i) or a thermoelectric property evaluation apparatus (manufactured by ULVAC-RIKO, Inc., product name: ZEM-3) Was measured. This measurement was performed several times. The results are shown in FIGS. 3A to 3D. In addition, the electrical resistivity (rho) was calculated | required taking the reciprocal number of the electrical conductivity (sigma) of the sample which concerns on Examples 1-4. The results are shown in FIGS. 3A to 3D. The Seebeck coefficient S of the sample which concerns on Examples 1-4 was measured using said thermoelectric characteristic evaluation apparatus. The results are shown in FIGS. 4A to 4D. In the samples according to Examples 1 to 4, the power factor PF was obtained from the Seebeck coefficient S and the electrical conductivity σ based on the following formula (5). The results are shown in FIGS. 4A to 4D.
PF = S 2 σ (5)

<キャリア熱伝導率及び格子熱伝導率の決定>
実施例1〜4に係るサンプルに関するゼーベック係数Sの測定結果から、上記の式(4)を用いてローレンツ数Lを決定した。決定したローレンツ数Lと電気伝導率σの測定結果から、上記の式(3)を用いて実施例1〜4に係るサンプルの熱伝導率の測定温度におけるキャリア熱伝導率κcarを算出した。実施例1〜4に係るサンプルの熱伝導率の測定温度における格子熱伝導率κlatを、式(2)に従って、熱伝導率からキャリア熱伝導率κcarを差し引いて決定した。結果を図2A〜図2Dに示す。図2A〜図2Dに示す通り、実施例1〜4に係るサンプルは、300Kにおいて1.3W/(m・K)以下の格子熱伝導率を有していた。
<Determination of carrier thermal conductivity and lattice thermal conductivity>
From the measurement result of the Seebeck coefficient S regarding the samples according to Examples 1 to 4, the Lorentz number L was determined using the above equation (4). From the determined measurement results of the Lorentz number L and the electrical conductivity σ, the carrier thermal conductivity κcar at the measurement temperature of the thermal conductivity of the samples according to Examples 1 to 4 was calculated using the above formula (3). The lattice thermal conductivity κlat at the measurement temperature of the thermal conductivity of the samples according to Examples 1 to 4 was determined by subtracting the carrier thermal conductivity κcar from the thermal conductivity according to the equation (2). The results are shown in FIGS. 2A to 2D. As shown in FIGS. 2A to 2D, the samples according to Examples 1 to 4 had a lattice thermal conductivity of 300 W or less at 1.3 W / (m · K).

<無次元性能指数>
図2A〜図2D、図3A〜図3D、及び図4A〜図4Dに示す結果から、実施例1〜4に係るサンプルに関する無次元性能指数ZTを求めた。結果を図5A〜図5Dに示す。
<Dimensionless performance index>
From the results shown in FIGS. 2A to 2D, FIGS. 3A to 3D, and FIGS. 4A to 4D, the dimensionless figure of merit ZT for the samples according to Examples 1 to 4 was obtained. The results are shown in FIGS. 5A to 5D.

<X線回折測定>
X線回折装置(リガク社製、製品名:MiniFlex600)を用いて、実施例1〜4に係る放電プラズマ焼結で焼結した後のサンプルのX線回折パターンを得た。X線としてCuKα線を用いた。実施例1〜4に係るサンプルのX線回折パターンを、図6A〜図6Dに示す。
<X-ray diffraction measurement>
Using an X-ray diffractometer (product name: MiniFlex600, manufactured by Rigaku Corporation), an X-ray diffraction pattern of the sample after sintering by spark plasma sintering according to Examples 1 to 4 was obtained. CuKα rays were used as X-rays. The X-ray diffraction patterns of the samples according to Examples 1 to 4 are shown in FIGS. 6A to 6D.

X線回折装置(リガク社製、製品名:MiniFlex600)を用いて、実施例4に係る放電プラズマ焼結で焼結する前の粉末のX線回折パターンを得た。X線としてCuKα線を用いた。実施例4に係る粉末のX線回折パターンを図7に示す。実施例4に係る放電プラズマ焼結で焼結する前の粉末は、ウルツ鉱型構造型の結晶構造を有することが示唆された。   Using an X-ray diffractometer (product name: MiniFlex600, manufactured by Rigaku Corporation), an X-ray diffraction pattern of the powder before sintering by spark plasma sintering according to Example 4 was obtained. CuKα rays were used as X-rays. The X-ray diffraction pattern of the powder according to Example 4 is shown in FIG. It was suggested that the powder before sintering by spark plasma sintering according to Example 4 has a wurtzite structure type crystal structure.

実施例4に係る放電プラズマ焼結で焼結する前の粉末の金属元素組成を高周波誘導結合プラズマ発光分光分析(ICP-OES)装置(Thermo Fisher Scientific社製、製品名:iCAP 6500)を用いて分析した。分析の前処理として、マイクロ波加熱酸分解装置(マイルストーンゼネラル社製、製品名:ETHOS UP)を用いて、粉末を塩酸溶液に溶解させた。分析の結果、実施例4に係る放電プラズマ焼結で焼結する前の粉末の全金属成分におけるCuの含有率、Inの含有率、及びSnの含有率は、それぞれ、物質量基準で62.5%、12.5%、及び25%であった。実施例4に係る放電プラズマ焼結で焼結する前の粉末は、Cu5InSn28で表される組成を有していることが示唆された。 Using a high frequency inductively coupled plasma optical emission spectrometry (ICP-OES) apparatus (manufactured by Thermo Fisher Scientific, product name: iCAP 6500), the metal element composition of the powder before sintering by spark plasma sintering according to Example 4 was used. analyzed. As a pretreatment for analysis, the powder was dissolved in a hydrochloric acid solution using a microwave heating acid decomposition apparatus (product name: ETHOS UP, manufactured by Milestone General). As a result of the analysis, the Cu content, the In content, and the Sn content in the total metal components of the powder before sintering by spark plasma sintering according to Example 4 are 62. 5%, 12.5%, and 25%. It was suggested that the powder before sintering by spark plasma sintering according to Example 4 has a composition represented by Cu 5 InSn 2 S 8 .

Claims (5)

銅と、スズと、スズ以外の少なくとも1つの典型金属元素とを含む硫化物であって、
当該硫化物に含まれる金属の全量における前記銅の含有率が10モル%以上であり、
前記金属の全量における前記スズの含有率が10モル%以上であり、
前記金属の全量における前記典型金属元素の含有率が10モル%以上かつ30モル%以下であり、
300Kにおいて1.3W/(m・K)以下の格子熱伝導率を有する、
硫化物。
A sulfide containing copper, tin, and at least one typical metal element other than tin,
The copper content in the total amount of metal contained in the sulfide is 10 mol% or more,
The tin content in the total amount of the metal is 10 mol% or more,
The content of the typical metal element in the total amount of the metal is 10 mol% or more and 30 mol% or less,
Having a lattice thermal conductivity of 1.3 W / (m · K) or less at 300 K;
Sulfide.
前記金属の全量における前記典型金属元素の含有率が18モル%以下である、請求項1に記載の硫化物。   The sulfide according to claim 1, wherein the content of the typical metal element in the total amount of the metal is 18 mol% or less. Cu5AlxIn1-xSn28で表される組成を有し、xは0〜1である、請求項1又は2に記載の硫化物。 Cu 5 Al x In 1-x Sn 2 having a composition represented by S 8, x is 0-1, sulfide according to claim 1 or 2. 請求項1〜3のいずれか1項に記載の硫化物を含有する、熱電変換材料。   The thermoelectric conversion material containing the sulfide of any one of Claims 1-3. 請求項4に記載の熱電変換材料を備えた、熱電変換素子。   A thermoelectric conversion element comprising the thermoelectric conversion material according to claim 4.
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