JP3203383B2 - Thermoelectric material and thermoelectric conversion element - Google Patents

Thermoelectric material and thermoelectric conversion element

Info

Publication number
JP3203383B2
JP3203383B2 JP14022799A JP14022799A JP3203383B2 JP 3203383 B2 JP3203383 B2 JP 3203383B2 JP 14022799 A JP14022799 A JP 14022799A JP 14022799 A JP14022799 A JP 14022799A JP 3203383 B2 JP3203383 B2 JP 3203383B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
thermoelectric
type semiconductor
thermoelectric material
temperature
merit
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Lifetime
Application number
JP14022799A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2000332308A (en
Inventor
敏郎 高畠
能生 板東
Original Assignee
広島大学長
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 広島大学長 filed Critical 広島大学長
Priority to JP14022799A priority Critical patent/JP3203383B2/en
Publication of JP2000332308A publication Critical patent/JP2000332308A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP3203383B2 publication Critical patent/JP3203383B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、冷蔵庫などの熱電
冷却装置や、熱電発電装置に用いられる熱電材料および
熱電変換素子に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a thermoelectric material and a thermoelectric conversion element used for a thermoelectric cooling device such as a refrigerator and a thermoelectric generator.

【0002】[0002]

【従来の技術】熱電変換素子の一つには、温度測定セン
サーとしての熱電対がある。この熱電対は、2種の異種
金属や半導体を対にして接合したものである。熱電対
は、その両端に温度差を与えると、その温度差に応じた
起電力を発生する。熱電対の一方の接点を既知の温度に
保ち、両接点間の電圧を測定すれば、これがもう一方の
接点の温度の関数となる。
2. Description of the Related Art As one of thermoelectric conversion elements, there is a thermocouple as a temperature measuring sensor. This thermocouple is formed by joining two different kinds of metals and semiconductors in pairs. When a temperature difference is applied to both ends of the thermocouple, an electromotive force corresponding to the temperature difference is generated. If one contact of the thermocouple is kept at a known temperature and the voltage between the two contacts is measured, this is a function of the temperature of the other contact.

【0003】上記の現象を利用して、一方の接点を常温
に、他方の接点を高温熱源に置き、両接点の温度差を大
きくすることによって、大きな熱起電力を得る装置が多
数提案されている。
[0003] Many devices have been proposed to obtain a large thermoelectromotive force by placing one contact at room temperature and placing the other contact at a high-temperature heat source by using the above phenomenon to increase the temperature difference between the two contacts. I have.

【0004】他方、上記とは逆に、熱電対の両接点間に
電位差を与えると、その電位差に応じた温度差を生じ
る。例えば、高温側の接点を大気温度に保つと、低温側
の接点はその温度より低温となるので、低温側接点を直
接冷却することができる。この現象を利用して、携帯用
の冷蔵庫、計算機のCPUなどの冷却器に応用されてい
る。
On the other hand, conversely, when a potential difference is applied between the two contacts of the thermocouple, a temperature difference corresponding to the potential difference is generated. For example, if the high-temperature side contact is kept at the ambient temperature, the low-temperature side contact will be lower in temperature than that, so that the low-temperature side contact can be directly cooled. Utilizing this phenomenon, it is applied to coolers such as portable refrigerators and computer CPUs.

【0005】現在、上記熱電発電や熱電冷却に用いられ
ている熱電材料はほとんどすべて半導体であり、熱電変
換素子はp型半導体とn型半導体とを組み合わせ接合し
た構成をとっている。
At present, almost all thermoelectric materials used for thermoelectric power generation and thermoelectric cooling are semiconductors, and thermoelectric conversion elements have a configuration in which a p-type semiconductor and an n-type semiconductor are combined and joined.

【0006】熱電変換素子を用いた熱電発電機や熱電冷
却器は、機械的な駆動部を全く持たないので騒音のな
い、しかも小型な構成とすることができ、点検保守が容
易であるなどの利点がある。したがって、熱電変換素子
を用いた装置として実用化が期待されているものとして
は、例えば家庭用冷蔵庫などが挙げられる。
A thermoelectric generator or a thermoelectric cooler using a thermoelectric conversion element has no mechanical driving part, so that it can be made noise-free and has a small configuration, and can be easily inspected and maintained. There are advantages. Therefore, as a device that is expected to be put to practical use as a device using a thermoelectric conversion element, there is, for example, a home refrigerator.

【0007】熱電材料の性能は、通常、Z=S2/κρ
で定義される性能指数Zによって優劣が比較される。こ
こで、Sはゼーベック係数と呼ばれる熱電能、κは熱伝
導率、ρは電気抵抗率を表している。このZを無次元化
したZTも性能指数として用いられている。ここで、T
は絶対温度である。
[0007] The performance of thermoelectric materials is usually Z = S 2 / κρ
The superiority is compared by a performance index Z defined by. Here, S represents thermoelectric power called a Seebeck coefficient, κ represents thermal conductivity, and ρ represents electrical resistivity. ZT, which is a dimensionless version of Z, is also used as a figure of merit. Where T
Is the absolute temperature.

【0008】熱電材料を用いた熱電変換装置としては、
上記したような冷蔵庫やコンピュターの集積回路の冷却
器が挙げられる。これらはいずれも室温付近において使
用される。したがって、熱電材料の性能の評価において
は、室温近傍(約300K)でのZT値が実用上重要で
ある。
A thermoelectric conversion device using a thermoelectric material includes:
Examples of the refrigerator or the integrated circuit cooler of the computer as described above. These are all used near room temperature. Therefore, in evaluating the performance of a thermoelectric material, the ZT value near room temperature (about 300 K) is practically important.

【0009】図1の(a)、(b)は、横軸に温度
(K)をとり、縦軸に性能指数Z(×10‐3 ‐1
をとって、従来の半導体の性能指数と温度との関係を示
した特性線図である。図1の(a)はp型半導体の特性
線図であり、図1の(b)はn型半導体の特性線図であ
る。
1 (a) and 1 (b), temperature (K) is plotted on the horizontal axis, and figure of merit Z (× 10 -3 K -1 ) is plotted on the vertical axis.
FIG. 4 is a characteristic diagram showing a relationship between a figure of merit of a conventional semiconductor and temperature. FIG. 1A is a characteristic diagram of a p-type semiconductor, and FIG. 1B is a characteristic diagram of an n-type semiconductor.

【0010】図1の(a)、(b)に示すように、p
型、n型とも性能指数Zは温度に強く依存し、700K
近傍で性能指数Zが極大となる半導体や、高温になるに
したがって性能指数Z値が上昇傾向となる半導体がほと
んどである。このように性能指数Zは温度によって大き
く変化するので、単に性能指数Zが高ければよいという
訳ではなく、実用上の観点からは常温でのZ値が高いこ
とが重要である。室温近傍(300K)で最も高い性能
指数となる半導体は、図1の(a)においては、(B
i,Sb)2Te3 のp型半導体である。また、図1の
(b)においては、Bi2(Se,Te)3 のn型半導
体である。これらは、現在、常温における冷却装置に用
いられている。両半導体は、室温近傍での性能指数Zが
どちらも約2×10‐3 ‐1であり、ZT値は1未満
である。
As shown in FIGS. 1A and 1B, p
Exponent Z strongly depends on temperature for both n-type and n-type
Most of the semiconductors have a figure of merit Z at a maximum in the vicinity, and the figure of merit Z tends to increase as the temperature rises. As described above, since the figure of merit Z greatly changes depending on the temperature, it is not only that the figure of merit Z should just be high, but from the practical viewpoint, it is important that the Z value at room temperature is high. The semiconductor having the highest figure of merit near room temperature (300 K) is (B) in FIG.
i, Sb) 2 Te 3 is a p-type semiconductor. Further, in FIG. 1B, it is an n-type semiconductor of Bi 2 (Se, Te) 3 . These are currently used in cooling devices at room temperature. Both semiconductors have a figure of merit Z near room temperature of about 2 × 10 −3 K −1 and a ZT value of less than 1.

【0011】現在、室温近傍で高い熱電性能を示す熱電
材料として、「W.M.Kim and F.D.Ro
si,Solid State Electron.1
5,1121(1972)」および「G.D.Maha
n,Solid StatePhysics vol.
41,81(1998)」に記載の半導体が挙げられ
る。これらの文献には、(Sb2Te372(Bi2
325(Sb2Se33の組成を有するp型半導体が、
ZT=1.02(T=300K)の性能指数を示すこと
が開示されている。また、(Sb2Te35(Bi2Te
390(Sb2Se 35の組成を有するn型半導体が、Z
T=0.96(T=300K)の性能指数を示すことが
開示されている。
At present, thermoelectric materials exhibiting high thermoelectric performance near room temperature
As a material, "WM Kim and FD Ro"
si, Solid State Electron. 1
5,1121 (1972) "and" GD Maha.
n, Solid State Physics vol.
41, 81 (1998) ".
You. These documents include (SbTwoTeThree)72(BiTwoT
eThree)twenty five(SbTwoSeThree)ThreeA p-type semiconductor having a composition of
Exhibit a figure of merit of ZT = 1.02 (T = 300K)
Is disclosed. Also, (SbTwoTeThree)Five(BiTwoTe
Three)90(SbTwoSe Three)FiveAn n-type semiconductor having a composition of Z
It shows a figure of merit of T = 0.96 (T = 300K).
It has been disclosed.

【0012】以上挙げた熱電材料の他に、非晶質の熱電
材料も優れた熱電性能を示すことが報告されている。
[0012] In addition to the above-mentioned thermoelectric materials, it has been reported that amorphous thermoelectric materials also exhibit excellent thermoelectric performance.

【0013】無次元性能指数ZTの値は、理論的に根本
的な限界は存在しないとされ、種々の熱電材料の研究開
発が進められている。熱電冷却を例にとると、常温での
ZTの値が3付近であれば、熱電材料を用いた家庭用冷
蔵庫が従来のコンプレッサーを用いた家庭用冷蔵庫に競
合できるとされている。
The dimensionless figure of merit ZT is theoretically considered to have no fundamental limit, and various thermoelectric materials are being researched and developed. Taking thermoelectric cooling as an example, it is said that a home refrigerator using a thermoelectric material can compete with a home refrigerator using a conventional compressor if the value of ZT at room temperature is around 3.

【0014】[0014]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、熱電冷
却を例にとると、上記したような従来の熱電材料により
実現できる熱電冷却性能は、コンプレッサーを用いる冷
却性能と比較すると効率の点で明らかに劣る。そのため
従来の熱電材料は、経済性よりも信頼性や利便性が重視
される用途にのみ限定されてきた。また、従来高い熱電
性能を持つといわれている非晶質の熱電材料は、経年劣
化の可能性があり、信頼性に乏しいという問題点があ
る。
However, taking thermoelectric cooling as an example, the thermoelectric cooling performance that can be achieved by the above-described conventional thermoelectric material is clearly inferior in efficiency to the cooling performance using a compressor. . For this reason, conventional thermoelectric materials have been limited only to applications where reliability and convenience are more important than economics. Further, an amorphous thermoelectric material which is conventionally said to have high thermoelectric performance has a problem that it may deteriorate over time and has poor reliability.

【0015】本発明は上記した実情に鑑みてなされたも
のであって、その目的とするところは、常温において従
来の熱電材料よりも高い性能指数ZTを示し、かつ劣化
の恐れがない熱電材料を提供することにある。
The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to provide a thermoelectric material exhibiting a higher performance index ZT at room temperature than conventional thermoelectric materials and having no fear of deterioration. To provide.

【0016】また、本発明は上記の熱電材料を備え、熱
電変換性能に優れた熱電変換素子を提供することを目的
とする。
Another object of the present invention is to provide a thermoelectric conversion element having the above thermoelectric material and having excellent thermoelectric conversion performance.

【0017】[0017]

【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するために、以下の手段を用いる。
The present invention uses the following means in order to solve the above problems.

【0018】(1)一般式CeAM(ただし、AはN
i、RhおよびPtからなる群より選択された1種の元
素、MはBi、Sb、AsおよびSnからなる群より選
択された1種の元素を示す)で表され、Ce元素の一部
がアクセプター元素で置換された結晶体であるp型半導
体熱電材料。
(1) The general formula CeAM (where A is N
one element selected from the group consisting of i, Rh, and Pt, and M represents one element selected from the group consisting of Bi, Sb, As, and Sn); A p-type semiconductor thermoelectric material that is a crystal substituted with an acceptor element.

【0019】(2)一般式XQR(ただし、XはYbま
たはSm元素のうち1種の元素、QはNi、Rhおよび
Ptからなる群より選択された1種の元素、RはBi、
Sb、AsおよびSnからなる群より選択された1種の
元素を示す)で表され、元素Xの一部がドナー元素で置
換された結晶体であるn型半導体熱電材料。
(2) General formula XQR (where X is one element of Yb or Sm element, Q is one element selected from the group consisting of Ni, Rh and Pt, R is Bi,
N represents an element selected from the group consisting of Sb, As, and Sn), and is a crystal in which a part of the element X is substituted with a donor element.

【0020】(3)一般式CeAM(ただし、AはN
i、RhおよびPtからなる群より選択された1種の元
素、MはBi、Sb、AsおよびSnからなる群より選
択された1種の元素を示す)で表され、Ce元素の一部
がアクセプター元素で置換された結晶体であるp型半導
体熱電材料と、一般式XQR(ただし、XはYbまたは
Sm元素のうち1種の元素、QはNi、RhおよびPt
からなる群より選択された1種の元素、RはBi、S
b、AsおよびSnからなる群より選択された1種の元
素を示す)で表され、元素Xの一部がドナー元素で置換
された結晶体であるn型半導体熱電材料とを備えた熱電
変換素子。
(3) The general formula CeAM (where A is N
one element selected from the group consisting of i, Rh, and Pt, and M represents one element selected from the group consisting of Bi, Sb, As, and Sn); A p-type semiconductor thermoelectric material which is a crystal substituted with an acceptor element, and a general formula XQR (where X is one of Yb or Sm elements, and Q is Ni, Rh and Pt)
One element selected from the group consisting of: R is Bi, S
b, represents one element selected from the group consisting of As and Sn), and comprises an n-type semiconductor thermoelectric material which is a crystal in which part of the element X is substituted with a donor element. element.

【0021】[0021]

【発明の実施の形態】以下、本発明に係るp型半導体熱
電材料を詳細に説明する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a p-type semiconductor thermoelectric material according to the present invention will be described in detail.

【0022】このp型半導体熱電材料は、一般式CeA
Mで表される化合物を基本的な骨格とし、Ce元素の一
部がアクセプター元素で置換された結晶体である。上記
一般式において、Aは、Ni、RhまたはPtのうちい
ずれか1種の元素である。Mは、Bi、Sb、Asまた
はSnのうちいずれか1種の元素である。
This p-type semiconductor thermoelectric material has the general formula CeA
It is a crystal in which a compound represented by M has a basic skeleton and a part of Ce element is substituted by an acceptor element. In the above general formula, A is any one element of Ni, Rh and Pt. M is any one element of Bi, Sb, As or Sn.

【0023】アクセプター元素としては、La、Y、S
cなどの元素を挙げることができ、これらの組み合わせ
であってもよい。上記アクセプター元素のうち、Laで
あることが好ましい。Laが好ましい理由は、Laのイ
オン半径とCeのイオン半径とが近いので結晶構造を乱
さないからである。アクセプター元素置換量は、Ce元
素量の0.5ないし5原子%であることが好ましい。上
記した範囲の置換量とすることによって、熱電性能を著
しく向上させ得るキャリヤー濃度とすることができる。
As the acceptor element, La, Y, S
Elements such as c can be cited, and combinations thereof may be used. Among the acceptor elements, La is preferable. La is preferable because the ionic radius of La and the ionic radius of Ce are close to each other, so that the crystal structure is not disturbed. The substitution amount of the acceptor element is preferably 0.5 to 5 atomic% of the Ce element amount. By setting the substitution amount in the above-mentioned range, the carrier concentration can be improved so that the thermoelectric performance can be significantly improved.

【0024】通常の半導体は、熱電能が高くなると電気
抵抗率も高くなる性質を有している。しかし、上記p型
半導体熱電材料は、熱電能が高くなっても電気抵抗率が
高くならない特性を有するので、著しく高い性能指数を
示す。また、室温近傍において、高い無次元性能指数を
示す。さらに、結晶体であるので非晶質熱電材料のよう
に劣化する恐れはまったくない。
An ordinary semiconductor has the property that the electrical resistivity increases as the thermoelectric power increases. However, the p-type semiconductor thermoelectric material has a characteristic that the electrical resistivity does not increase even if the thermoelectric power increases, and thus shows a remarkably high figure of merit. In addition, it shows a high dimensionless figure of merit near room temperature. Furthermore, since it is a crystalline body, there is no possibility of deterioration like an amorphous thermoelectric material.

【0025】本発明のp型半導体熱電材料は、例えばブ
リッジマン法によって単結晶成長させて作製することが
できる。ブリッジマン法では、まず、アーク溶解炉など
で上記組成の各元素を溶解し、原材料となる多結晶の化
合物を得る。次に、この原材料をモリブデンやタングス
テンの高融点金属製などの管に真空封入する。続いて、
この管を高周波誘導加熱炉などの加熱炉にセットし、垂
直方向に移動させるなどして単結晶化させ、上記p型半
導体熱電材料を得ることができる。
The p-type semiconductor thermoelectric material of the present invention can be produced by, for example, growing a single crystal by the Bridgman method. In the Bridgman method, first, each element having the above composition is dissolved in an arc melting furnace or the like to obtain a polycrystalline compound as a raw material. Next, this raw material is vacuum-sealed in a tube made of a high melting point metal such as molybdenum or tungsten. continue,
The tube is set in a heating furnace such as a high-frequency induction heating furnace, and is moved vertically to be single-crystallized, thereby obtaining the p-type semiconductor thermoelectric material.

【0026】次に、本発明に係るn型半導体熱電材料を
詳細に説明する。
Next, the n-type semiconductor thermoelectric material according to the present invention will be described in detail.

【0027】このn型半導体熱電材料は、一般式XQR
で表される化合物を基本的な骨格とし、X元素の一部が
ドナー元素で置換された結晶体である。上記一般式にお
いて、XはYbまたはSm元素である。Qは、Ni、R
h、Ptのうちいずれか1種の元素である。Rは、B
i、Sb、As、Snのうちいずれか1種の元素であ
る。
This n-type semiconductor thermoelectric material has the general formula XQR
Is a crystal in which a compound represented by is used as a basic skeleton, and a part of the X element is substituted with a donor element. In the above general formula, X is a Yb or Sm element. Q is Ni, R
h or any one of Pt. R is B
i, Sb, As, and Sn are any one of the elements.

【0028】ドナー元素としては、Lu、Y、Zr、H
fなどの元素を挙げることができ、これらの組み合わせ
であってもよい。上記ドナー元素のうち、Lu元素また
はY元素であることが好ましい。Lu元素またはY元素
が好ましい理由は、これらの元素のイオン半径と、Yb
およびSmのイオン半径とが近いので結晶構造を乱さな
いからである。
Lu, Y, Zr, H
Elements such as f can be mentioned, and combinations thereof may be used. Among the above-mentioned donor elements, it is preferable to be the Lu element or the Y element. Lu element or Y element is preferable because the ionic radius of these elements and Yb
This is because the crystal structure is not disturbed because the ionic radii of Sm and Sm are close.

【0029】置換量としては、X元素量の0.5ないし
5原子%であることが好ましい。上記範囲の置換量とす
ることによって、熱電性能を著しく向上させ得るキャリ
ヤー濃度とすることができる。
The substitution amount is preferably 0.5 to 5 atomic% of the X element amount. By setting the substitution amount in the above range, a carrier concentration that can significantly improve thermoelectric performance can be obtained.

【0030】上記n型半導体熱電材料は、熱電能が高く
なっても電気抵抗率が高くならない特性を有する。した
がって、著しく高い性能指数を示す。また、室温近傍に
おいても高い無次元性能指数ZTを示す。さらに、結晶
体であるので、非晶質の熱電材料のように劣化する恐れ
はまったくない。
The n-type semiconductor thermoelectric material has a characteristic that the electrical resistivity does not increase even if the thermoelectric power increases. Therefore, it shows a significantly high figure of merit. Also, it shows a high dimensionless figure of merit ZT even near room temperature. Furthermore, since it is a crystalline body, there is no risk of deterioration as in an amorphous thermoelectric material.

【0031】本発明のn型半導体熱電材料は、アーク溶
解などにより上記組成にされた化合物を例えばブリッジ
マン法によって単結晶成長させて得ることができる。
The n-type semiconductor thermoelectric material of the present invention can be obtained by growing a compound having the above composition by arc melting or the like into a single crystal by, for example, the Bridgman method.

【0032】次に、本発明に係る熱電変換素子を詳細に
説明する。
Next, the thermoelectric conversion element according to the present invention will be described in detail.

【0033】この熱電変換素子は、上述したp型半導体
熱電材料とn型半導体熱電材料とを備える。このような
p型、n型の半導体熱電材料を備えた熱電変換素子が組
み込まれた熱電冷却装置を図2を参照して以下説明す
る。
This thermoelectric conversion element has the above-mentioned p-type semiconductor thermoelectric material and n-type semiconductor thermoelectric material. A thermoelectric cooling device incorporating such a thermoelectric conversion element provided with such p-type and n-type semiconductor thermoelectric materials will be described below with reference to FIG.

【0034】熱電変換素子は互いに隣接して配置され
た、例えば矩形ブロック状のn型半導体熱電材料2およ
びp型半導体熱電材料3を有し、これら熱電材料2、3
の一方の端部は吸熱側電極4に接合されている。n型半
導体熱電材料2の他方の端部は、発熱側電極5aに接合
されている。この発熱側電極5aは、導電線を介して電
源1のプラス側に接続されている。p型半導体熱電材料
3の他方の端部は、発熱側電極5bに接合されている。
この発熱側電極5bは導電線を介して電源1のマイナス
側に接続されている。
The thermoelectric conversion element has, for example, an n-type semiconductor thermoelectric material 2 and a p-type semiconductor thermoelectric material 3 which are arranged adjacent to each other, for example, in the form of a rectangular block.
Is joined to the endothermic electrode 4. The other end of the n-type semiconductor thermoelectric material 2 is joined to the heating-side electrode 5a. The heating-side electrode 5a is connected to the positive side of the power supply 1 via a conductive wire. The other end of the p-type semiconductor thermoelectric material 3 is joined to the heating-side electrode 5b.
The heating-side electrode 5b is connected to the negative side of the power supply 1 via a conductive wire.

【0035】なお、熱電冷却装置は図2に示すように一
つの熱電変換素子を備える場合に限らず、多数の熱電変
換素子を直列に結合してもよい。このような構成にすれ
ば、冷却効率をさらに向上させ得る熱電冷却装置を得る
ことができる。また、上記熱電変換素子を複数段のカス
ケードに接続することによって、吸熱側の冷却温度をさ
らに下げることが可能な熱電冷却装置を得ることもでき
る。
It should be noted that the thermoelectric cooling device is not limited to the case where one thermoelectric conversion element is provided as shown in FIG. 2, and a large number of thermoelectric conversion elements may be connected in series. With such a configuration, a thermoelectric cooling device that can further improve the cooling efficiency can be obtained. Further, by connecting the thermoelectric conversion elements in a cascade of a plurality of stages, a thermoelectric cooling device capable of further lowering the cooling temperature on the heat absorption side can be obtained.

【0036】図2に示す熱電冷却装置において、電源1
から電圧を各熱電材料2、3に印加すると、n型半導体
熱電材料2で多数キャリヤーである電子は、発熱側電極
5aに移動して熱を運ぶ。同時に、p型半導体熱電材料
3で多数キャリヤーである正孔もまた発熱側電極5bに
移動して熱を運ぶ。このとき、p型、n型半導体熱電材
料2、3はそれぞれ高い性能指数を有するため、吸熱側
電極4と発熱側電極5a、5bとの両極間に大きな温度
差を生じさせることが可能となる。したがって、図2に
示す本発明の熱電変換素子を組み込んだ熱電冷却装置の
吸熱側で、高い冷却性能が実現され得る。
In the thermoelectric cooling device shown in FIG.
When a voltage is applied to each of the thermoelectric materials 2 and 3, electrons, which are majority carriers in the n-type semiconductor thermoelectric material 2, move to the heating-side electrode 5 a to carry heat. At the same time, holes which are majority carriers in the p-type semiconductor thermoelectric material 3 also move to the heat-generating electrode 5b to carry heat. At this time, since the p-type and n-type semiconductor thermoelectric materials 2 and 3 each have a high figure of merit, it is possible to cause a large temperature difference between both the heat-absorbing side electrode 4 and the heat-generating side electrodes 5a and 5b. . Therefore, high cooling performance can be realized on the heat absorption side of the thermoelectric cooling device incorporating the thermoelectric conversion element of the present invention shown in FIG.

【0037】上記の電極4、5は、電気抵抗率ができる
だけ小さく、かつ熱伝導率の大きい材料からなることが
望ましい。電気抵抗が小さければジュール熱によるエネ
ルギー損失を抑えることができ、熱伝導率が大きければ
吸熱や発熱の際、熱量を迅速に運ぶことができる。電極
4、5用材料としては、銅やアルミニウムなどを挙げる
ことができる。
The electrodes 4 and 5 are desirably made of a material having as small an electrical resistivity as possible and having a high thermal conductivity. If the electric resistance is small, the energy loss due to Joule heat can be suppressed, and if the thermal conductivity is large, the amount of heat can be quickly transferred when absorbing or generating heat. Examples of the material for the electrodes 4 and 5 include copper and aluminum.

【0038】なお、図2における吸熱側電極4と、発熱
側電極5aおよび5bとの両極間に温度差を付与するこ
とによって電力を取り出すことが可能な熱電発電装置と
して利用することもできる。
It should be noted that the thermoelectric generator can be used as a thermoelectric generator capable of extracting electric power by providing a temperature difference between the heat absorbing side electrode 4 and the heat generating side electrodes 5a and 5b in FIG.

【0039】[0039]

【実施例】以下、本発明の好ましい実施例を詳細に説明
する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Preferred embodiments of the present invention will be described below in detail.

【0040】実施例1 まず、Ce、La、Rh、およびSbの各元素をCe
0.99La0.01RhSbの組成式を満たす原子比となるよ
うに各々秤量した。
Example 1 First, each element of Ce, La, Rh and Sb was converted to Ce.
Each was weighed so as to have an atomic ratio satisfying the composition formula of 0.99 La 0.01 RhSb.

【0041】次に、純粋なアルゴン雰囲気中においてこ
れら秤量元素をアーク溶解した。なお、Sbは溶融中に
蒸散損失してしまうのでこれを補償すべく、アーク溶解
前にSb重量の1%を追加した。
Next, these weighed elements were arc-melted in a pure argon atmosphere. Since Sb loses transpiration during melting, 1% of the Sb weight was added before arc melting to compensate for this.

【0042】続いて、アーク溶解により得られた試料を
高融点金属製のるつぼに封入し、ブリッジマン法によ
り、上記組成のp型半導体の単結晶を作製した。
Subsequently, the sample obtained by arc melting was sealed in a crucible made of a high melting point metal, and a single crystal of a p-type semiconductor having the above composition was prepared by the Bridgman method.

【0043】得られたCe0.99La0.01RhSbの単結
晶について、電気抵抗率ρ、熱伝導率κ、および熱電能
Sを各々温度300Kにおいて測定し、性能指数ZTを
調べた。その結果、ZT=1.05と優れた熱電性能を
示すことがわかった。
With respect to the obtained single crystal of Ce 0.99 La 0.01 RhSb, the electric resistivity ρ, the thermal conductivity κ, and the thermoelectric power S were measured at a temperature of 300 K, respectively, and the figure of merit ZT was examined. As a result, ZT was found to be 1.05, indicating excellent thermoelectric performance.

【0044】実施例2 Yb、Y、Ni、およびAsの元素をYb0.990.01
iAsの組成式を満たす原子比となるように各々秤量し
た。
Example 2 The elements of Yb, Y, Ni, and As were converted to Yb 0.99 Y 0.01 N
Each was weighed so as to have an atomic ratio satisfying the composition formula of iAs.

【0045】次に、純粋なアルゴン雰囲気中においてこ
れら秤量した元素をアーク溶解した。それ以外は、実施
例1と同様にして上記組成式の単結晶を作製し、n型半
導体熱電材料を得た。
Next, these weighed elements were arc-melted in a pure argon atmosphere. Otherwise, a single crystal of the above composition formula was prepared in the same manner as in Example 1 to obtain an n-type semiconductor thermoelectric material.

【0046】実施例3 Yb、Y、Rh、およびSbの各元素をYb0.995
0.005RhSbの組成式を満たす原子比となるように各
々秤量した。それ以外、実施例1と同様な手法により上
記組成式の単結晶を作製し、n型半導体熱電材料を得
た。
Example 3 Each element of Yb, Y, Rh, and Sb was converted to Yb 0.995 Y
Each was weighed so as to have an atomic ratio satisfying the composition formula of 0.005 RhSb. Otherwise, a single crystal of the above composition formula was prepared in the same manner as in Example 1 to obtain an n-type semiconductor thermoelectric material.

【0047】実施例4 Yb、Lu、Pt、およびSbの各元素をYb0.995
0.005PtSbの組成式を満たす原子比となるように
各々秤量した。それ以外、実施例1と同様な手法により
上記組成式の単結晶を作製し、n型半導体熱電材料を得
た。
Example 4 Each element of Yb, Lu, Pt and Sb was converted to Yb 0.995 L
Each was weighed so as to have an atomic ratio satisfying the composition formula of u 0.005 PtSb. Otherwise, a single crystal of the above composition formula was prepared in the same manner as in Example 1 to obtain an n-type semiconductor thermoelectric material.

【0048】実施例5 Sm、Y、NiおよびAsの各元素をSm0.990.01
iAsの組成式を満たす原子比となるように各々秤量し
た。それ以外、実施例1と同様な手法により上記組成式
の単結晶を作製し、n型半導体熱電材料を得た。
Example 5 Each element of Sm, Y, Ni and As was converted to Sm 0.99 Y 0.01 N
Each was weighed so as to have an atomic ratio satisfying the composition formula of iAs. Otherwise, a single crystal of the above composition formula was prepared in the same manner as in Example 1 to obtain an n-type semiconductor thermoelectric material.

【0049】実施例6 Sm、Lu、Pt、およびSbの各元素をSm0.995
0.005PtSbの組成式を満たす原子比となるように
各々秤量した。それ以外、実施例1と同様な手法により
上記組成式の単結晶を作製し、n型半導体熱電材料を得
た。
Example 6 Each element of Sm, Lu, Pt, and Sb was converted to Sm 0.995 L
Each was weighed so as to have an atomic ratio satisfying the composition formula of u 0.005 PtSb. Otherwise, a single crystal of the above composition formula was prepared in the same manner as in Example 1 to obtain an n-type semiconductor thermoelectric material.

【0050】実施例2〜6で得られた各n型半導体熱電
材料の単結晶について、温度300Kでの電気抵抗率
ρ、熱伝導率κ、および熱電能Sを測定し、性能指数Z
Tを調べた。その結果を下記表1に示す。
With respect to the single crystal of each n-type semiconductor thermoelectric material obtained in Examples 2 to 6, the electrical resistivity ρ, the thermal conductivity κ, and the thermoelectric power S at a temperature of 300 K were measured, and a figure of merit Z
T was examined. The results are shown in Table 1 below.

【0051】[0051]

【表1】 [Table 1]

【0052】表1に示すように、いずれのn型半導体熱
電材料の単結晶についても高い性能指数であることが確
認され、室温近傍で優れた熱電性能を有することがわか
った。
As shown in Table 1, it was confirmed that the single crystal of any of the n-type semiconductor thermoelectric materials had a high figure of merit and exhibited excellent thermoelectric performance near room temperature.

【0053】実施例7 実施例1で得られたp型半導体熱電材料の単結晶と、実
施例2ないし6で得られたn型半導体熱電材料の単結晶
とを用いて、図2に示す熱電冷却装置を作製した。電源
1としては6Vの直流電源、吸熱側電極4ならびに発熱
側電極5aおよび5bとしては銅を用いた。各電極と半
導体熱電材料とは銀ペーストで接合した。こうして構成
された熱電冷却装置において、吸熱側電極4と発熱側電
極5a(または発熱側電極5b)との両極間に生じる温
度差を300Kで測定した。その結果を表2に示す。
Example 7 Using the single crystal of the p-type semiconductor thermoelectric material obtained in Example 1 and the single crystal of the n-type semiconductor thermoelectric material obtained in Examples 2 to 6, the thermoelectric element shown in FIG. A cooling device was manufactured. As the power source 1, a 6 V DC power source was used. Each electrode and the semiconductor thermoelectric material were joined with a silver paste. In the thermoelectric cooling device thus configured, the temperature difference between the two electrodes of the heat-absorbing electrode 4 and the heat-generating electrode 5a (or the heat-generating electrode 5b) was measured at 300K. Table 2 shows the results.

【0054】[0054]

【表2】 [Table 2]

【0055】いずれの組み合わせの熱電変換素子におい
ても、29または30Kと非常に大きな温度差を生じさ
せることが確認され、常温で優れた熱電変換性能を有す
ることがわかった。
It was confirmed that a very large temperature difference of 29 or 30 K was generated in any combination of thermoelectric conversion elements, and it was found that the thermoelectric conversion element had excellent thermoelectric conversion performance at room temperature.

【0056】[0056]

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
実用化の際に重要となる室温近傍での無次元性能指数Z
Tが高い値を示すp型およびn型半導体熱電材料が提供
される。しかも本発明の熱電材料は結晶体であるので、
非晶質体の熱電材料のように劣化する恐れがまったくな
い。また、これらの熱電材料を用いることによって、常
温で優れた熱電変換性能を示す熱電変換素子が提供され
る。
As described above, according to the present invention,
Dimensionless figure of merit Z near room temperature, which is important for practical use
P-type and n-type semiconductor thermoelectric materials exhibiting high T values are provided. Moreover, since the thermoelectric material of the present invention is crystalline,
There is no risk of deterioration as in the case of an amorphous thermoelectric material. Further, by using these thermoelectric materials, a thermoelectric conversion element exhibiting excellent thermoelectric conversion performance at room temperature is provided.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】従来のp型半導体熱電材料、およびn型半導体
熱電材料の温度と性能指数との関係を示すグラフ。
FIG. 1 is a graph showing the relationship between the temperature and the performance index of conventional p-type semiconductor thermoelectric materials and n-type semiconductor thermoelectric materials.

【図2】本発明の一実施形態に係る熱電冷却装置の概略
を示す図。
FIG. 2 is a view schematically showing a thermoelectric cooling device according to one embodiment of the present invention.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…電源 2…n型半導体熱電材料 3…p型半導体熱電材料 4…吸熱側電極 5a、5b…発熱側電極 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Power supply 2 ... n-type semiconductor thermoelectric material 3 ... p-type semiconductor thermoelectric material 4 ... Heat absorption side electrode 5a, 5b ... Heat generation side electrode

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 35/18 H01L 35/20 H01L 35/32 H01L 35/34 C22C 30/00 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) H01L 35/18 H01L 35/20 H01L 35/32 H01L 35/34 C22C 30/00

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 一般式CeAM(ただし、AはNi、R
hおよびPtからなる群より選択された1種の元素、M
はBi、Sb、AsおよびSnからなる群より選択され
た1種の元素を示す)で表され、Ce元素の一部がアク
セプター元素で置換された結晶体であることを特徴とす
るp型半導体熱電材料。
1. The general formula CeAM (where A is Ni, R
one element selected from the group consisting of h and Pt, M
Represents one element selected from the group consisting of Bi, Sb, As and Sn), and is a crystal in which part of the Ce element is replaced with an acceptor element. Thermoelectric material.
【請求項2】 一般式XQR(ただし、XはYbまたは
Sm元素のうち1種の元素、QはNi、RhおよびPt
からなる群より選択された1種の元素、RはBi、S
b、AsおよびSnからなる群より選択された1種の元
素を示す)で表され、元素Xの一部がドナー元素で置換
された結晶体であることを特徴とするn型半導体熱電材
料。
2. A general formula XQR (where X is one element of Yb or Sm element, and Q is Ni, Rh and Pt)
One element selected from the group consisting of: R is Bi, S
an element selected from the group consisting of b, As, and Sn), wherein the element X is a crystal in which part of the element X is substituted with a donor element.
【請求項3】 一般式CeAM(ただし、AはNi、R
hおよびPtからなる群より選択された1種の元素、M
はBi、Sb、AsおよびSnからなる群より選択され
た1種の元素を示す)で表され、Ce元素の一部がアク
セプター元素で置換された結晶体であるp型半導体熱電
材料と、 一般式XQR(ただし、XはYbまたはSm元素のうち
1種の元素、QはNi、RhおよびPtからなる群より
選択された1種の元素、RはBi、Sb、AsおよびS
nからなる群より選択された1種の元素を示す)で表さ
れ、元素Xの一部がドナー元素で置換された結晶体であ
るn型半導体熱電材料とを備えたことを特徴とする熱電
変換素子。
3. The general formula CeAM (where A is Ni, R
one element selected from the group consisting of h and Pt, M
Represents one element selected from the group consisting of Bi, Sb, As, and Sn), a p-type semiconductor thermoelectric material that is a crystal in which part of the Ce element is replaced with an acceptor element, Formula XQR (where X is one element of Yb or Sm element, Q is one element selected from the group consisting of Ni, Rh and Pt, and R is Bi, Sb, As and S
n, which represents one element selected from the group consisting of n), and an n-type semiconductor thermoelectric material which is a crystal in which a part of the element X is substituted by a donor element. Conversion element.
JP14022799A 1999-05-20 1999-05-20 Thermoelectric material and thermoelectric conversion element Expired - Lifetime JP3203383B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP14022799A JP3203383B2 (en) 1999-05-20 1999-05-20 Thermoelectric material and thermoelectric conversion element

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP14022799A JP3203383B2 (en) 1999-05-20 1999-05-20 Thermoelectric material and thermoelectric conversion element

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2000332308A JP2000332308A (en) 2000-11-30
JP3203383B2 true JP3203383B2 (en) 2001-08-27

Family

ID=15263873

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP14022799A Expired - Lifetime JP3203383B2 (en) 1999-05-20 1999-05-20 Thermoelectric material and thermoelectric conversion element

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP3203383B2 (en)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4533294B2 (en) * 2005-09-26 2010-09-01 国立大学法人東京工業大学 Thermoelectric conversion material and manufacturing method thereof
JP4775055B2 (en) * 2006-03-20 2011-09-21 トヨタ自動車株式会社 Thermoelectric conversion material and manufacturing method thereof

Also Published As

Publication number Publication date
JP2000332308A (en) 2000-11-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP3845803B2 (en) High performance thermoelectric materials and methods for their preparation
Rosi et al. Materials for thermoelectric refrigeration
US6458319B1 (en) High performance P-type thermoelectric materials and methods of preparation
US6169245B1 (en) Thermoelectric materials ternary penta telluride and selenide compounds
JP4896336B2 (en) Thermal diode for energy conversion
JP6563031B2 (en) Thermoelectric material, thermoelectric element and thermoelectric module including the same
JP5468554B2 (en) Semiconductor materials containing doped tin telluride for thermoelectric applications
JP3725152B2 (en) Thermoelectric conversion material, thermoelectric conversion element using the material, and power generation method and cooling method using the element
JP3596643B2 (en) Thermoelectric conversion material and thermoelectric conversion element
JP3727945B2 (en) Thermoelectric conversion material and production method thereof
JP2014179375A (en) Thermoelectric conversion element
US4491679A (en) Thermoelectric materials and devices made therewith
US8088989B2 (en) Thermoelectric conversion material and thermoelectric conversion element
US20110129668A1 (en) Organic-inorganic hybrid nanofiber for thermoelectric application and method of forming the same
JP2002084005A (en) Thermoelectric module
JP3203383B2 (en) Thermoelectric material and thermoelectric conversion element
JP6279639B2 (en) Thermoelectric conversion material and method for producing the same
WO2018123899A1 (en) Thermoelectric conversion material and thermoelectric conversion element
Singsoog et al. Effecting the thermoelectric properties of p-MnSi1. 75 and n-Mg1. 98Ag0. 02Si module on power generation
Sidorenko et al. Bi–Sb Solid Solutions: Potential Materials for High-Efficiency Thermoelectric Cooling to below 180 K
JP2006344833A (en) Thermoelectric converting material
JP2004186572A (en) Thermoelectric transduction material and thermoelectric transducer
Kudman Thermoelectric properties of dilute PbTe-GeTe alloys
WO2006082926A1 (en) Thallium compound thermoelectric conversion material and production method therefor
US2953617A (en) Thermoelements and devices embodying them

Legal Events

Date Code Title Description
EXPY Cancellation because of completion of term