JP3136686B2 - 熱電素子及び光・熱発電装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、熱電素子及びこの熱電
素子を使用した光・熱発電装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】熱電素子は、ｐ型半導体とｎ型半導体を
接合させてそのゼーベック効果を利用し、熱エネルギを
電気エネルギに変換するものとしてよく知られている。
この熱電素子を製造するには、溶解法のほか、粉末焼結
法によって成形する方法（例えば「熱電気変換素子の製
造方法」，特開昭６１−６５４８７号公報）、溶射膜を
適宜重ね合わせる方法（例えば「熱発電素子の製造方
法」，特開昭６０−１２６８７８号公報）などが提案さ
れている。

【０００３】またこの熱電素子に、光エネルギを電気エ
ネルギに変換する光電変換素子を複合させた装置も提案
されており、自然エネルギ（太陽光線など）の光及び熱
を有効に利用するものとして注目すべきものである
（「半導体光電池・熱発電器複合素子」，特開昭５７−
１１５８７７他）。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで熱電素子は、
その高温端（ｐ−ｎ接合部）が高温に触れたときに直ぐ
に昇温するという、熱感応速度が大きなものであること
が求めらる。また実用上その起電力が大きいことが必要
であり、そのためにｐ−ｎ接合部における界面積が大き
く、且つ低温端との温度差を大きくできることが理想で
ある。

【０００５】しかしながら、これらの要件を全て満たす
ことは難しかった。例えば前記溶解法もしくは粉末焼結
法によるバルク（かたまり）形状の熱電素子では、高温
端と低温端との温度差はある程度得られるが、高温端全
体が速やかに昇温し難いと共に、界面積もその形状（断
面積）で略決定してしまう。また薄膜で構成された熱電
素子は、高温端はすぐに昇温するが、熱容量が小さいた
めに全体も直ぐに昇温してしまい、低温端との温度差が
大きく取れないという問題があった。

【０００６】一方、熱電素子に光電変換素子を複合させ
た装置においては、構造が複雑で全体の高さ（厚み）が
大きくなりがちであり、その製造が困難であると共に、
設置場所など取り扱いに制限があるという問題があっ
た。

【０００７】そこで本発明は、上記事情に鑑み、熱感応
速度が大きく、且つ起電力が大きい熱電素子を、また構
造が簡単で汎用性に富む光・熱発電装置を提供すべく創
案されたものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、ｐ型半導体シ
ート及びｎ型半導体シートの端部同士が接合され、且つ
これらシートと同物質であってシート表面にそれぞれ付
着された粉体同士が接合されて成るｐ−ｎ接合部を備え
たものである。

【０００９】また本発明は、上記構成を利用した装置で
あり、ｐ型半導体シート及びｎ型半導体シートの端部同
士が接合され、且つこれらシートと同物質であってシー
ト上面にそれぞれ付着された粉体同士が接合されて成る
ｐ−ｎ接合部を有した熱電素子と、この熱電素子の上面
側に重ねられ赤外線よりも短波長側の光エネルギを電気
エネルギに変換すると共にそれ以外の長波長側の光線を
透過させる半導体薄膜で成る光電変換素子とを備えたも
のである。

【００１０】

【作用】上記構成によって、ｐ−ｎ接合部は表面積の実
質的な拡張により高温に触れたときに直ぐに昇温し、熱
エネルギを電気エネルギに変換する。その界面積は大き
くなり、さらに低温端となるシートの他端側との温度差
も大きくなる。

【００１１】また上記装置によって、光電変換素子は赤
外線よりも短波長側の光エネルギを電気エネルギに変換
し、熱電素子が光電変換素子を透過した長波長側の光線
の熱エネルギを電気エネルギに変換する。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の実施例を添付図面に従って説
明する。

【００１３】図１は、本発明に係わる熱電素子の一実施
例を示したものである。この熱電素子は、そのｐ−ｎ接
合部１が、ｐ型半導体シート２とｎ型半導体シート３と
の端部同士が接合されて形成されていると共に、これら
シート２，３の表面に、ｐ型半導体シート２にはｐ型半
導体の粉体４が、またｎ型半導体シート３にはｎ型半導
体の粉体５がそれぞれ付着されている。そしてこれら粉
体４，５同士も端部位置にて互いに接合されている。ま
た低温端６，７となるシート２，３の他端側は適宜延長
され、ｐ−ｎ接合部１が凸となるようにＵ字状に形成さ
れていると共に、ｐ−ｎ接合部１以外の区間のシート表
面側には、それぞれ同物質のバルク材８，９が接合され
ている。すなわちｐ−ｎ接合部１の粉体４，５は、両側
からバルク材８，９で挟まれるように保持されている。
また低温端には負荷１０が結線されて、所定の起電力を
得るようになっている。

【００１４】この熱電素子を製造するに際しては、図２
に示すように、まずｐ型半導体シート２の一端側に、適
宜な区間に亘ってｐ型半導体の粉体４を付着させる。こ
の付着は、例えばｐ型半導体シート２の表面に接着剤を
塗布しておき、ｐ型半導体の粉体４をこれに散布して隙
間無く並べ、余った粉体４を払い出すようにすればよ
い。この付着が不充分である場合は、プラズマ焼結法、
スポット溶接法、加圧（かしめ）、ロー付け、超音波接
合、拡散接合などの接合工程を付加する。またｎ型半導
体シート３にも同様にして、ｎ型半導体の粉体５を付着
させる。

【００１５】次に図３に示すように、両シート２，３の
一端側を突き合わせて、粉体４，５同士及びシート２，
３の端部同士を接合させる。そして図４に示すように、
それぞれのシート２，３の他端側に、ｐ型半導体のバル
ク材８及びｎ型半導体のバルク材９をそれぞれ接合す
る。その後これらシート２，３をバルク材８，９ごと折
り曲げて、所定の形状にする。なお前記接合の順序とし
ては、先にシート２，３同士を接合させ、その後に粉体
４，５及びバルク材８，９を載置させてもよい。

【００１６】このように構成することで、ｐ−ｎ接合部
１の界面積が大きくなる。すなわち、図５（Ａ）に示す
ように、バルク法（粉末焼結法，溶解法）により成形し
たｐ−ｎ接合部１１では、微視的にみても、ｐ型半導体
１２の端面とｎ型半導体１３の端面とが直線状に接合し
ているので、その端面積がそのまま接合界面（図中破線
Ｑにて位置を示す）となるが、図５（Ｂ）の本発明の構
成では、接合端部付近の粉体４，５の個々の粒子の表面
全体が界面（図中破線Ｒ）となって複雑に入り組むこと
となり、単位体積当りの界面積が大きくなる。従ってキ
ャリア（電子及び正孔）の移動速度が大となり、起電力
を大きなものにできる。そしてｐ−ｎ接合部に、図５中
矢印Ｈにて示したような熱が作用したときに、バルク形
状のものは熱に晒されている側の表面だけが加熱される
ことになるが、本発明のものは熱が粒子と粒子の間の隙
間を通って反対側の面まで直ちに到達して、高温に晒さ
れる面が実質的に拡大されることとなり、熱感速度が大
になる。このことは、熱電素子を熱センサとして使用す
る場合に特に有効である。そして図１で示した低温端側
６，７は、シート２，３を適宜延長することで高温端
（ｐ−ｎ接合部１）との温度差が得られるものであり、
本実施例ではバルク材８，９を付設したことで、さらに
温度差の確保及び構造強度の向上を図ることができる。

【００１７】次に図６によって、本発明に係わる光・熱
発電装置の一実施例を説明する。この装置は、前記実施
例の熱電素子の上面側（粉体４，５側）に、光エネルギ
を電気エネルギに変換する半導体薄膜２１で成る光電変
換素子が積層されて構成されている。この種の半導体
は、各々禁制帯幅（エネルギーギャップ）以上のエネル
ギーを有する波長の光のみ吸収し、光電変換機能を発揮
するものである。すなわち、ある波長より長い波長の光
はその半導体にとってエネルギが小さいため、光電変換
に寄与しない。例えば可視光線を対象とする半導体素材
としては、Ｓｉ，Ｇｅ，ＣｄＣｅ，ＧａＡｓ，ＣｄＳな
どがあり、近赤外線（波長0.8 〜2 μｍ）のものはＩｎ
ＧａＡｓ，ＩｎＧａＡｓＰなど、中赤外線（波長2 〜8
μｍ）のものはＰｂＳ，ＩｎＳｂ，ＩｎＡｓなど、さら
に遠赤外線（波長8 μｍ以上）のものはＨｇＣｄＴｅ，
Ｇｅ（Ａｕ），Ｇｅ（Ｈｇ），Ｓｉ（Ｇａ）などがあ
る。本発明の半導体薄膜２１は、赤外線よりも短波長側
の光エネルギを電気エネルギに変換し、それ以外の長波
長側の光線を透過させるものであって、設置条件などに
より、上記半導体素材のうちから適宜選択されるもので
ある。

【００１８】この半導体薄膜２１には負荷２２が結線さ
れていると共に、本実施例にあっては、半導体薄膜２１
と粉体４，５との間に、半導体薄膜２１を透過した赤外
線を吸収するための集熱板２３が介設されている。この
集熱板２３は、例えば高分子物質にて成形することがで
きる。

【００１９】このように構成したことにより、太陽光線
に上面が向くように設置されると、まず半導体薄膜２１
が太陽光線のうちの赤外線よりも短波長側の光エネルギ
を電気エネルギに変換する。そして半導体被膜２１を透
過した長波長側の光線により集熱板が加熱され、その熱
が熱電素子のｐ−ｎ接合部１に伝達されて、所望の発電
が為される。

【００２０】従って光の対象波長範囲を広範なものにで
き、太陽エネルギを有効に利用することができる。な
お、禁制帯幅Ｅｇより大きなエネルギーの光（Ｅｇに相
当する波長より小さな波長の光）のエネルギーからＥｇ
を引いた分が、余って（光電効果に寄与せず）太陽電池
自体を昇温させる。この熱も熱電素子が利用する。即
ち、太陽電池の昇温をおさえる役目（ヒートシンク）も
果す。これを図７で示すと、ゾーンが本発明の太陽電
池の光電変換の使われるエネルギーであり、ゾーンが
太陽電池自体の発熱に使われるエネルギーである。そし
てゾーンと、ゾーンの一部が熱電素子の熱電変換に
使われるエネルギーである。これは太陽電池の発熱分が
全部熱伝素子へ伝わらないからである。なお一般の太陽
電池の場合は、光電変換がゾーン、太陽電池の発熱が
ゾーン＋、熱電変換がゾーン＋の一部である。

【００２１】そして本発明の構成は極めて簡単なもので
あり、フレキシブルであるために、例えばビルディング
の外表面など、大面積の或いは曲面（凹凸面）のある場
所にも容易に設置でき、汎用性の向上が達成されるもの
である。またビル壁に設置した場合、低温端６，７を室
内に延出させることができるため、低温端６，７を室内
温度に保つことで外方の高温端側との温度差を得ること
ができる。さらに製造工程も、薄膜法で作られたフィル
ム状の光電変換素子の裏側に粉体シート型熱電素子を貼
り合わせるだけでよく、簡易なものとすることができ
る。

【００２２】なお以上実施例では熱電素子の具体的な素
材については省略したが、シート状に成形可能な公知の
ｐ型及びｎ型半導体から選択すればよく、例えばＢｉ−
Ｔｅ系の半導体を採用することができる。

【００２３】

【発明の効果】以上要するに本発明によれば、次のよう
な優れた効果を発揮する。

【００２４】(1) 請求項１記載の構成によれば、熱感応
速度を大きく、且つ起電力を大きくすることができ、素
子性能向上が達成される。

【００２５】(2) 請求項２記載の構成によれば、極めて
簡単でフレキシブルな構造にて、広範囲な波長域の太陽
光線の有効利用が達成される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる熱電素子の一実施例を示した側
面図である。

【図２】図１の製造工程を説明するための側面図であ
る。

【図３】図２の次の工程を示した側面図である。

【図４】図３の次の工程を示した側面図である。

【図５】図１の作用効果を説明するためのｐ−ｎ接合部
の拡大概念図であり、（Ａ）は従来の熱電素子を示した
図、（Ｂ）は本発明の熱電素子を示した図である。

【図６】本発明に係わる光・熱発電装置の一実施例を示
した側面図である。

【図７】図６の作用を説明するための光の波長と光のエ
ネルギーとの関係図である。

【符号の説明】 １ ｐ−ｎ接合部 ２ ｐ型半導体シート ３ ｎ型半導体シート ４ ｐ型半導体の粉体 ５ ｎ型半導体の粉体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 35/04 H01L 31/04

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ｐ型半導体シート及びｎ型半導体シート
   の端部同士が接合され、且つこれらシートと同物質であ
   って該シート表面にそれぞれ付着された粉体同士が接合
   されて成るｐ−ｎ接合部を備えたことを特徴とする熱電
   素子。
2. 【請求項２】 ｐ型半導体シート及びｎ型半導体シート
   の端部同士が接合され、且つこれらシートと同物質であ
   って該シート上面にそれぞれ付着された粉体同士が接合
   されて成るｐ−ｎ接合部を有した熱電素子と、該熱電素
   子の上面側に重ねられ赤外線よりも短波長側の光エネル
   ギを電気エネルギに変換すると共にそれ以外の長波長側
   の光線を透過させる半導体薄膜で成る光電変換素子とを
   備えたことを特徴とする光・熱発電装置。