JP4372276B2 - Clathrate compound, high-efficiency thermoelectric material, manufacturing method thereof, and thermoelectric module using high-efficiency thermoelectric material - Google Patents

Clathrate compound, high-efficiency thermoelectric material, manufacturing method thereof, and thermoelectric module using high-efficiency thermoelectric material Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、クラスレート化合物とそれを利用した高効率熱電材料とそれらの製造方法および熱電モジュールに関するもので、導電性とゼーベック係数に優れ、低熱伝導率の熱電材料を提供することができる技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来から熱電材料の利用方法が種々検討されているが、従来の熱電材料は熱電変換効率が悪く、特に信頼性を要する用途、または特殊な用途に限られていた。従って一般的な利用として考えられる廃熱発電等の目的に熱電材料を供することは困難と考えられていた。
また、この種の熱電材料の効率を向上させて高効率熱電材料として使用するためには、
1)低熱伝導率であること、
2)ゼーベック係数が高いこと、
3)電気伝導率が高いこと、
の条件を満たす必要がある。
【0003】
しかしながら、従来の熱電材料の開発技術では経験的に組成を選択して材料開発を行っている程度であった。このため、現状で開発されている熱電材料において、700K以上の温度で性能係数の最大値である無次元指数(ZT)が1を越えた例は、p型熱電材料として知られるGeTe-AgSbTe2のみであった。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
このような背景において従来の熱電材料について考察すると、高効率熱電材料となるための条件を完全に満たしているものは見当たらない状況である。例えば金属の場合は長所として大きな電気伝導を有するが、短所として熱伝導性が大きく、ゼーベック係数も小さい。半導体の場合は、長所として小さな熱伝導率と大きなゼーベック係数を有するが、電気伝導率が小さくなるために高効率熱電材料としては成立しない。また、熱電材料としてBiTeが知られているが、効率が悪く、実用には耐えない材料である。
【0005】
また、熱電材料として一般的な発電等に利用するためには、p型の熱電材料とn型の熱電材料を組み合わせて発電システムとして構成しなくてはならないが、前記従来のGeTe-AgSbTe2にあっては、n型のものは存在しないとされている。
【0006】
本発明は、上述の事情に鑑みてなされたもので、熱伝導率が高く、ゼーベック係数が高く、電気伝導率も高いという3条件を満たすべく、性能指数が1を超えるような高効率熱電材料に適用が期待されるクラスレート化合物を提供することを目的の1つとする。
更に本発明は、熱伝導率が高く、ゼーベック係数が高く、電気伝導率も高いという3条件を満たすべく、性能指数が1を超えるような高効率熱電材料を提供することを目的の1つとする。
本発明は、一般的な廃熱発電等の用途に供し得る優れた熱電材料と熱電モジュールの提供を目的の1つとする。
本発明は、上述のような優れたクラスレート化合物と高効率熱電材料を容易に製造することができる方法の提供を目的の1つとする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
本発明のクラスレート化合物は前記事情に鑑みてなされたもので、SiまたはGeからなるクラスレート格子と、該クラスレート格子の格子間隙に内包され該クラスレート格子の構成原子よりも質量の大きなBaのドーピング原子と、前記クラスレート格子を構成する原子の少なくとも一部と置換されたPの置換原子とを主体としてなることを特徴とする。
【0008】
SiまたはGeは基本的には半導体的あるいは絶縁物的な性質を有し、高ゼーベック係数を有するが、電気伝導性は低く、熱伝導率も高いので、このクラスレート格子に5価以上の価電子数の比重の大きなBaを侵入させることでクラスレート格子の振動を抑制して熱伝導性を下げるとともに、金属的な性質を付与して電気伝導性を向上させる。更に、クラスレート格子に侵入させたBaによる金属的な性質の付与を弱めるためにクラスレート格子の一部をPで置換することで金属的な性質を半金属、即ち、半導体よりの性質に近づけ、これらの相乗効果として適切な熱伝導率とゼーベック係数と電気伝導率のバランスを取り、性能係数の優れたものを得る。
【0010】
本発明のクラスレート化合物は先の構成において、前記クラスレート格子が、Si原子の12面体からなるSi20クラスタと、Si原子の14面体からなるSi24クラスタの混合格子であるシリコンクラスレート46であることを特徴とする。本発明のクラスレート化合物は先の構成において、前記クラスレート格子が、Si原子の12面体からなるSi20クラスタと、Si原子の16面体からなるSi28クラスタの混合格子であるシリコンクラスレート34であることを特徴とする。
前記Si20クラスタの2aサイトあるいはSi24クラスタの6dサイトにBaのドーピング原子が侵入されていても良い。
【0011】
本発明のn型の高効率熱電材料は、SiまたはGeからなるクラスレート格子と、該クラスレート格子の格子間隙に内包され該クラスレート格子の構成原子よりも質量の大きなBaのドーピング原子と、前記クラスレート格子を構成する原子の少なくとも一部と置換されたPの置換原子とを主体としてなることを特徴とする。
【0012】
本発明の高効率熱電材料において、前記クラスレート格子として、Si原子の12面体からなるSi20クラスタと、Si原子の14面体からなるSi24クラスタの混合格子であるシリコンクラスレート46とすることができる。
本発明の高効率熱電材料において、前記クラスレート格子として、Si原子の12面体からなるSi20クラスタと、Si原子の16面体からなるSi28クラスタの混合格子であるシリコンクラスレート34とすることができる。
更に、本発明の高効率熱電材料において、前記Si20クラスタの2aサイトあるいはSi24クラスタの6dサイトにBaのドーピング原子が侵入されていても良い。
【0013】
本発明のクラスレート化合物の製造方法は、SiまたはGeからなるクラスレート格子と、該クラスレート格子の格子間隙に内包され該クラスレート格子の構成原子よりも質量の大きなBaのドーピング原子と、前記クラスレート格子を構成する原子の少なくとも一部と置換されたPの置換原子とを主体としてなるクラスレート化合物を製造するに際し、前記クラスレート格子を構成するための原子と前記ドーピング原子と前記置換原子を所定比率で混合し、所望の形状に加圧成形後、予備熱処理を施し、更に加圧焼結法によって焼結することを特徴とする。
【0014】
本発明の高効率熱電材料の製造方法は、SiまたはGeからなるクラスレート格子と、該クラスレート格子の格子間隙に内包され該クラスレート格子の構成原子よりも質量の大きなBaのドーピング原子と、前記クラスレート格子を構成する原子の少なくとも一部と置換されたPの置換原子とを主体としてなるn型の高効率熱電材料を製造するに際し、前記クラスレート格子を構成するための原子と前記ドーピング原子とを所定比率で混合し、所望の形状に加圧成形後、予備熱処理を施し、更に加圧焼結法によって焼結することを特徴とする。
【0015】
本発明の熱電モジュールは、p型の熱電素子とn型の熱電素子が電極を介して1対以上組み合わされ、両熱電素子の接続部分側に熱交換部が形成され、該接続部分に対向する側に電気回路が接続されてなり、前記n型の熱電素子の構成材料として請求項5〜8のいずれかに記載の高効率熱電材料が適用されてなることを特徴とする。
【0016】
本発明は先に記載の熱電モジュールのp型の熱電素子の構成材料として、SiまたはGeからなるクラスレート格子と、該クラスレート格子の格子間隙に内包され該クラスレート格子の構成原子よりも質量の大きなBaのドーピング原子と、前記クラスレート格子を構成する原子の少なくとも一部と置換されたAlの置換原子とを主体としてなる熱電材料が用いられてなることを特徴とする。
本発明の熱電モジュールでは、前記p型の熱電素子の構成材料の性能指数(ZT)を1.05とすることができ、前記n型の熱電素子の構成材料の性能指数(ZT)を1.01とすることができる。
【0017】
【発明の実施の形態】
本発明に係るクラスレート化合物は、C、Si、Ge、SnなどのIVB族元素の少なくとも1種が構成するクラスレート格子(クラスレート基本構成単位)と、このクラスレート格子の内部にドーピングされたドーピング原子と、前記クラスレート格子を構成する複数の原子のうちの一部を置換した置換原子とから構成される。
【0018】
「第1実施形態」
図1と図2は、本発明に シリコンクラスレート格子を適用した第1実施形態を示すもので、この第1実施形態のシリコンクラスレート格子1は、図2にも示すSi原子の12面体からなるSi20クラスタ2と、Si原子の14面体からなるSi24クラスタ3とが組み合わせられた構成単位4が複数組み合わせられて図1に示すようにシリコンクラスレート格子1として構成されたものである。
また、図1に示すシリコンクラスレート格子1のうち、Si20クラスタ2の2aサイトあるいはSi24クラスタ3の6dサイトの少なくとも一方の少なくとも一部に、Siよりも質量の大きな周期律表IA族、IIA族、IIIA族、IB族、IIB族、IIIB族の原子のうちの少なくとも1種がドーピングされている。
【0019】
ここで用いられる最も好ましいドーピング原子として、周期律表IIA族の元素のうち、Sr、Ba、Raを例示することができる。これらのIIA族元素がSiクラスタの先のサイトに入ると、IIA族の原子は2価であり、その中にある2個の電子はクラスレートを構成する原子へ移る。そのため、全体としてクラスレート化合物は金属的な性質を有するようになる。また、これらの元素はクラスレート格子1を構成するSiよりも質量が大きいので、クラスレート格子1の原子の振動を抑制し、格子振動を散乱させて熱伝導を低くする。
図3はシリコンクラスレート格子の格子構造を示すもので、各格子の基本単位構造の頂点部分にSiが存在する。図4はシリコンクラスレート格子の2aサイト(Si20クラスタの内部)にBa原子が侵入した状態を示し、図5はシリコンクラスレート格子の6dサイト(Si24クラスタの内部)にBa原子が侵入した状態を示す。
【0020】
前記クラスレート格子1にドーピングする原子としてIIA族の原子の外に、IA族の原子として、Li、Na、K、Rb、Cs、Frを例示することができ、IIIA族の原子としてSc、Y、La、ランタノイド元素としてCe、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Ac、Th、Pa、U、Np、Pu、Am、Cm、Bk、Cf、Es、Fm、Md、No、Lrを例示することができる。
更に、IB族のドーピング原子として、Cu、Ag、Auを例示することができ、IIB族元素としてZn、Cd、Hgを例示することができ、IIIB族のドーピング原子としてB、Al、Ga、In、Tlを例示することができる。
【0021】
次に、シリコンクラスレート格子1を構成する複数のSi原子のうち、少なくとも一部のSi原子が周期律表VB族、VIB族、VIIB族、VA族、VIA族、VIIA族、VIII族のいずれかの原子で置換されてなる。これらの原子でSi原子の一部を置換するのは、先のドーピング原子の侵入により金属的とされたシリコンクラスレート格子1の金属的な性質(金属的な性質のうち、高熱伝導性)を抑制するか消すために行うもので、この元素置換により半導体的な性質を付与し、熱伝導性を下げるとともに、ゼーベック係数を大きくする。前記各族の置換元素のうち、化合物を生成し易いとされているVB族の原子が最も好ましく、N、P、As、Sb、Biの少なくとも1種または2種以上が好ましい。
【0022】
他の置換原子は、VIB族の原子として、O、S、Se、Te、Poを例示することができ、VIIB族の原子として、F、Cl、Br、I、Atを例示することができる。更に外の置換原子として、VIII族の原子のFe、Co、Ni、Ru、RhIr、Ni、Pd、Pt、Osを例示することができ、VA族の原子としてV、Nb、Taを例示することができ、VIA族の原子として、Cr、Mo、Wを例示することができ、VIIA族の原子として、Mn、Tc、Reを例示することができる。
【0023】
次に、前記クラスレート化合物を熱電材料として好適なものとするための本発明者が考察する材料開発指針を記載する。従来、この種の熱電材料の材料開発において、明確な開発指針は知られていないので、この指針は本発明者が独自に提起するものである。
1).熱伝導率の低減
クラスレート化合物の熱電材料の熱伝導率を下げるためには、クラスレート化合物の格子振動を散乱させることで可能だと考えられる。具体的には、クラスレートの骨格を構成している原子の質量よりも重い原子をドーピング原子として選択し、クラスレートの骨格の空いたサイトに導入する。その結果、ドーピング原子はその骨格を構成している原子の振動を抑制する。これによりフォノンの散乱が起こり、熱伝導率を下げることができる。
【0024】
次に、平面波基底による第1原理疑ポテンシャル法の計算によると、Baの固有エネルギー(EBa)の計算は、
Ba=(1/x)・(Bax@Si46−Si46)−Ba1 (isolate-atom)の式で表すことができる。
ここで、xは固溶バリウムの原子の数、Bax@Si46はシリコンクラスレート46にバリウム原子x個を固溶させた場合の電子系の全エネルギー、Si46はシリコンクラスレート46単体の電子系の全エネルギー、Ba1 (isolate-atom)はバリウム孤立原子1個の電子系の全エネルギーである。
以下に、バリウム原子2個、6個、8個をシリコンクラスレートに侵入させた場合のバリウム固溶エネルギーを示す。
▲1▼Ba2@Si46(2aサイト、12ヘドラ)
バリウム固溶エネルギー:−91.150/(eV/atom)
▲2▼Ba6@Si46(6dサイト、14ヘドラ)
バリウム固溶エネルギー:−92.805/(eV/atom)
▲3▼Ba8@Si46(2aサイト+6dサイト)
バリウム固溶エネルギー:−93.628/(eV/atom)
【0025】
この結果から、バリウム原子がシリコンクラスレートに多く固溶する方がエネルギー的に安定であるので、本発明に係るシリコンクラスレート格子のボイドのサイトの全てにBaが侵入し易くなり、格子振動の散乱により熱伝導率を下げることができる。
【0026】
2).ゼーベック係数の向上
ゼーベック係数を上げるためには、金属と半導体の中間的性質を得る必要がある。最初にシリコンクラスレート格子の単独構造では絶縁体であるが、これに5価以上の価電子を持つVB族、VIB族、VIIB族、VA族、VIA族、VIIA族、VIII族の原子の少なくとも1種をドナーとして導入することでn型半導体に変換し、ゼーベック係数を向上させることができる。
【0027】
3).電気伝導率の向上
シリコンクラスレート格子1を構成するIVB族原子は本来は半導体的あるいは絶縁体の性質を有するものであるために、IVB族原子だけでは電気伝導度は上がらない。そこで金属的な性質を有するIA族、IIA族、IIIA族、IB族、IIB族、IIIB族のいずれかの原子をシリコンクラスレート格子1の空いたサイトに導入することで電気伝導度を上昇させることができる。
【0028】
これらの結果として本第1実施形態のシリコンクラスレート化合物は、従来の熱電材料には見られない低い熱伝導率と高いゼーベック係数と高い電気伝導度を兼ね備えた特性を有し、従来の熱電材料よりも優れた性能指数を有する。また、本第1実施形態のシリコンクラスレート化合物はn型またはp型の熱電材料となる。
【0029】
次に、前述の構成のシリコンクラスレート化合物の製造方法の一例について説明する。
シリコンクラスレート46の格子を用いる場合は、Siとドーピング原子の粉末とクラスレート格子構成元素の置換用の原子粉末を目的の組成比になるように秤量して混合し、これらの混合粉末をアーク溶解により溶解して溶製し目的の組成のインゴットを得る。ここで用いる原料粉末は、各元素の純粋粉末でも化合物粉末でも差し支えないが不純物となる元素ができる限り入っていない純粋な粉末状のものを用いることが好ましい。
次にこのインゴットを粉砕し、粉砕後の粉末が目的の組成比となっているか否かX線分析により検査して目的の組成となっているものを使用する。即ち、目的の組成になっているならば次の工程に進むが、目的の組成になっていない場合は再度粉末混合からインゴットの溶製を行い、再度作成したインゴットの分析を行う。また、使用する粉砕物の粉末はできるだけ粒径の微細な粒径の整ったものを使用することが好ましい。
【0030】
組成比が良好な粉砕物の粉末を得たならば、Arガス雰囲気あるいは真空雰囲気において熱処理(仮焼き処理)を施し、不要成分等をガス状態にして除去し、仮焼き処理後の粉末を更に粉砕して粒径を揃え、更にX線で分析し、組成比が正しいか否か検査し、目的の組成比になっているものを選択して粒径を揃え、この粉砕物を放電プラズマ装置を用いて加熱加圧焼結し、所望の形状、例えば柱状の焼結物としてのシリコンクラスレート化合物の熱電材料からなる目的の熱電素子を得ることができる。
放電プラズマ焼結とは、混合粉末に一対のパンチで数MPa〜数10MPa程度の圧力で加圧すると同時に電流を印加して約1000℃程度に加熱しながら数分〜数時間程度焼結する加圧焼結法の1種である。
【0031】
なお、前記熱処理を行う場合、シリコンクラスレート46を製造する場合はArガス雰囲気中で熱処理を行い、シリコンクラスレート34を製造する場合は真空雰囲気中で熱処理を行うことが好ましい。また、先のX線分析により組成比が目的の組成から外れている場合は再度アーク溶解からインゴットを得る工程に戻って同じ工程を繰り返す。
【0032】
ところで、前述の製造工程において、アーク溶解の代わりに、メカニカルアロイング処理を施して目的の組成比の混合粉末を得ることもできる。メカニカルアロイング処理とは、ステンレス鋼球などの金属球を多数収納した中空のアトライタの内部に混合する粉末を投入後、アトライタを高速回転させて粉末を混合し、金属球の間で粉末を粉砕混合して組成均一な混合粉末を得る方法である。このようにメカニカルアロイング処理を施して得られた混合粉末を成形してから予備熱処理し、更に焼結することで本発明に係るシリコンクラスレート化合物の熱電素子を得ることもできる。
【0033】
また、上記の製造方法において、ドーピング原子としてBaを用い、置換原子としてPを選択した場合は、粉末混合時にBaが核になって、まずSiを引き付け、クラスタが多数生成され、次いで焼結時にクラスタどうしが結合してクラスタ格子を構成するものと思われる。よって、必要な元素を混合して仮焼き処理を行い、その後に焼結するという極めて簡易な方法でクラスレート化合物を生成することができる。従って本発明のクラスレート化合物は、従来の熱電材料と比較して製造方法が簡単であり、しかも、700K以上で高い性能指数を示す高効率のものが得られる。
【0034】
「第2実施形態」
図6は本発明に係るシリコンクラスレート化合物の第2実施形態のクラスレート格子を構成するシリコンクラスレート34の結晶構造の模式図である。このシリコンクラスレート34の結晶構造10は、図7に示すような、Siの12面体からなるSi20クラスレート11と、Siの16面体からなるSi28クラスレート12からなる基本構成単位13がシリコンクラスレート34になるように複数組み合わされて構成されている。
【0035】
この第2実施形態のシリコンクラスレート34を構成するSi20クラスレート11の2aサイトに、または、Si24クラスレート12の6dサイトに、先の第1実施形態の場合と同様にSiよりも質量の大きな周期律表IA族、IIA族、IIIA族、IB族、IIB族、IIIB族のいずれかの原子、例えばBaがドーピングされてなる。
更に、シリコンクラスレート34を構成するSiの一部が先の第1実施形態の場合と同様に、周期律表VB族、VIB族、VIIB族、VA族、VIA族、VIIA族、VIII族のいずれかの原子、例えばPで置換されてなる。
この第2実施形態のシリコンクラスレート化合物においても先の第1実施形態のシリコンクラスレート化合物と同様に熱電材料としての優れた特徴を得ることができる。
【0036】
「第3実施形態」
図8は本発明に係るシリコンクラスレート化合物の熱電材料を用いて構成された熱電モジュールの一実施形態を示すもので、この実施形態の熱電モジュール30は、上下に離間して対向配置された絶縁物の基板31、32の間に、p型の柱状の熱電材料からなる複数の熱電素子33と、n型の柱状の熱電材料からなる複数の熱電素子34が交互に配置され、相互に隣接する1組の熱電素子33、34の下端部どうしが間欠的に電極板35で接続され、相互に隣接する他の熱電素子33、34の上端部どうしが間欠的に電極板36で接続されると同時に、隣接するp型の熱電素子33の端部とn型の熱電素子34の端部とが互い違いに交互に接続されて全ての熱電素子が直列接続されるように複数の電極板35、36で接続されている。また、上下の基板間の複数の熱電素子33…、34…のうち、一側の端部の熱電素子33に接続配線37が、他側の端部の熱電素子34に接続配線38がそれぞれ接合されて構成されている。
ここで前記n型の熱電素子34が先に記載のクラスレート化合物からなる熱電材料から構成される。
【0037】
図8に示す構成の熱電モジュール30は、図9(a)に示すように上部側の電極板36側を加熱することで接続配線37、38の間に負荷としての抵抗39などを接続して電気回路41を構成しておくならば、電極板36側を他の熱源で加熱し、電極板35側を放熱側することで接続配線37、38間に電位差を生じさせて電流を流すことができ、熱電発電用に供することができる。
更に、図8に示す熱電モジュール30は、図9(b)に示すように接続配線37、38に電源40を組み込み、矢印に示す方向に電流を流すことで、上部側の電極板36側にて吸熱作用を行うことができ、下部側の電極板35側を発熱側として先の吸熱作用によって熱電冷却器として使用することができる。
【0038】
次に、前記p型の熱電素子33を構成するために好適なクラスレート化合物の熱電材料について説明する。
先に説明したシリコンクラスレート化合物においては、シリコンクラスレート格子の一部をP等の原子で置換し、シリコンクラスレート格子の原子の一部を5価以上の価電子数の原子によって置換しているが、シリコンクラスレート格子を構成する原子はIV価であるので、1〜3価の原子、例えば、価電子の数が1〜3個であるIA族、IIA族、IIIA族、IB族、IIB族、IIIB族のいずれかの原子で置換すると、その中にある1〜3個の価電子はクラスレートを構成するIVB族の原子側へ移る。そのため、シリコンクラスレート格子を全体としてp型の半導体的な性質に変換することができる。
【0039】
前記各族の置換元素のうち、化合物を生成し易いとされているIIIB族の原子が最も好ましく、B、Al、Ga、In、Tlの少なくとも1種または2種以上が好ましい。
他の置換原子は、IB族原子としてCu、Ag、Auを例示することができ、IIB族原子としてZn、Cd、Hgを例示することができる。
更に外の置換原子として、IA族のLi、Na、K、Rb、Cs、Fr、IIA族のBe、Mg、Ca、Sr、Ba、Ra、IIIA族のSc、Y、ランタノイド元素として、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、Ac、アクチノイド元素として、Th、Pa、U、Np、Pu、Am、Cm、Bk、Cf、Es、Fm、Md、No、Lrを例示することができる。
【0040】
先のシリコンクラスレート格子に対して先に記載の元素を侵入させた上にシリコンクラスレート格子の一部元素を上記元素で置換することでp型のシリコンクラスレート化合物を得ることができる。ここで例えば、後述する実施例と同様な方法によりシリコンクラスレート46の格子に対してBaを侵入させ、Siの一部をAlで置換することで、得られるシリコンクラスレート化合物は、p型を示し、しかも、本発明者らの実験により、性能係数において700Kで1.01を 得ることができることが判明している。
よって上記組成のp型の熱電材料から熱電素子33を製造することができる。これにより、p型の熱電素子33を性能係数1.01の熱電材料で構成し、n型の熱電素子34を後述の実施例の如く性能係数1.05の熱電材料で構成することができ、その場合に極めて優れた発電効率あるいは吸熱効率の熱電モジュールを得ることができる。
【0041】
図10は本発明の熱電材料を用いた発電スタックの一例を示すもので、この例の発電スタック50は、内部を排気ガスなどが流れる偏平型の多穴管からなるインナーシェル51の外周部に、6基の発電モジュール52が装着され、発電モジュール52の外部側にこれらを覆うように偏平型のアウターシェル54が設けられていて、インナーシェル51の内部を流れる排気ガスの熱を利用して発電を行うことができるように構成されたものである。
この実施形態の発電スタックにおいても先の実施形態の熱電モジュール30と同様に発電モジュール52を構成することで、熱電モジュール52を発電用に供することができる。
【0042】
ここで以下に、熱電材料の性能指標として多用される性能指数(ZT)について説明する。
熱電材料の性能は、熱電能をα、熱伝導率をκ、比抵抗をρとすると、
Z=α2/κρ …(1)式で示される。
また、図9に示す熱電モジュールの性能指数は、
pn=(αp−αn2/(κpρp+κnρn2 …(2)式で示され、
添え字はp型の成形体とn型の成形体の各値に対応する。
熱電材料の最大発電効率は、高温端と低温端の温度をそれぞれThとTcとすると、
ηmax=(Th/Th−Tc)・{(M−1)/(M+Th/Tc)}…(3)式、
M=(1+Z(Th+Tc)/2)1/2 …(4)式で示される。
【0043】
一方、熱電冷却の最大成績係数は、
φmax=(Th/Th−Tc)・{(M−Th/Tc)/(M+1)}…(5)式で示され、熱電加熱ではφmax+1で与えられる。また、吸熱部が完全断熱され、熱の流入がないと、Tcは最も低下した状態になり、φmax=0とおくと、最大冷却温度差は、
ΔTmax=(Th−Tcmax =(1/2)・ZT2 c …(6)式の関係が得られる。
【0044】
ここで一般に、熱電冷却・加熱は、室温近傍の温度差(Th−Tc)≦100Kの範囲で利用されるため、Zが高い方が必要条件になり、現在では3.4×10-3-1以上のものが要求されている。
一方、熱電発電はZが比較的低くてもThを高くして効率を高めることができるが、高温で化学的に安定な耐熱材料であることが必要とされる。一般に性能指数Zは材料に固有の温度依存性を有するが、最大値を示す温度は材料によって異なる。
この性能指数Zの最大値ZTが1を超える材料は、現在のところ、GeTe-AgSbTe2であり、他の大部分の材料はZTが1よりも低い値を示す。
図11と図12は従来知られているこの種熱電材料においてp型のものとn型のものの性能指数の絶対温度依存性を示すもので、これらの図からも明らかなように性能指数の最大値ZT=1を超えるものは、p型では600〜900Kの温度範囲においてGeTe-AgSbTe2のみであり、その外には存在しない。また、n型においては、特定の狭い温度範囲においてSiGe(GaP)のみが有望であり、常温〜700Kにおいては存在しない。
【0045】
これに対して本発明に係る熱電材料であるならば、後述の実施例からも明らかなようにZTが1を超えるn型の熱電材料を提供することができる。よって、本発明の熱電材料を用いて熱電モジュールを構成するならば、従来の熱電材料によるものよりも格段に優れた高効率の熱電モジュールを提供することができる。
【0046】
次に、ゼーベック係数について説明する。
図9(b)に示す熱電モジュールにおいて電源40から矢印方向に電流を流すと、電気回路42に電流Iが流れて上部の電極板36側にペルチェ発熱が生じ、n型熱電素子34のゼーベック係数を−αn、p型素子のゼーベック定数をαp、電極板のゼーベック係数をαmとすると、上部の電極板とPN素子ペルチェ吸熱Qcpは、
cp =(−αn−αm )TcI+(αm −αp)TcI=−(αn+αp)Tc
の関係となり、αm は無視できる。ここでTcは接合部の温度である。αe=αn+αpとして、吸熱量の絶対値Qcpは、Qcp=αecIとなる。
このように熱電モジュールの熱計算を行う場合に指標となるのがゼーベック係数であるので、この数値は熱電モジュールの性能向上に大きな影響を有するものとして広く知られているものである。
【0047】
【実施例】
以下に実施例をあげて本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
BaとSiとPをBa:Si:P=8:26:20の組成比(原子%)になるようにそれぞれの粉末を秤量し、メカニカルアロイング処理により混合粉末を作製した。この混合粉末をArガス雰囲気中において800℃に24時間加熱する予備熱処理を施し、更にこの予備熱処理後に予備焼結物を平均粒径100μmになるように粉砕し、これをプラズマ焼結装置にかけて850℃で40MPaの圧力で30分プラズマ焼結した。
得られた柱状の焼結物をX線回折した結果、
space group : Pmm origin at 4 m(なお、結晶分析学的にはPmmの3の上にオーバーラインで標記されるのが通常であるが、ここでは3のオーバーラインについてで標記する)、格子定数10.5Åの構造を有するシリコンクラスレート46 Ba8@(Si26,P20)であることを確認することができた。また、この焼結物の700Kにおける性能指数(ZT)を測定した結果、1を超える値の1.05であることを確認することができた。
【0048】
また、同様な工程を行い、Ba:Si:Al=8:26:20の組成比(原子%)になるようにそれぞれの粉末を秤量し、この混合粉末から出発してシリコンクラスレート化合物の熱電材料の焼結体「シリコンクラスレート46 Ba8@(Si26,Al20)」を得た。この焼結体の700Kにおける性能指数を測定したところ、図11にSiBaAlクラスレート化合物の表示で示す性能指数1.01の優れた値を示した。
以上の結果から、シリコンクラスレート46 Ba8@(Si26,P20)なる熱電材料でn型の熱電素子を構成し、シリコンクラスレート46 Ba8@(Si26,Al20)なる熱電材料でp型の熱電素子を構成して熱電モジュールを構成することで、優れた熱電効率の熱電モジュールを得られることが判明した。
【0049】
【発明の効果】
以上説明したように本発明のクラスレート化合物によれば、基本的な格子がSiまたはGeのクラスレート格子であり、このクラスレート格子の内部にクラスレート格子構成元素よりも比重の大きなBaがドーピングされているので、クラスレート格子の振動が抑制されて熱伝導性が低くされると同時に電気伝導度が向上されるともに、クラスレート格子を構成する原子の一部が価電子数5以上のPで置換されてn型半導体的な性質に置換される結果としてゼーベック係数が向上されたクラスレート化合物を提供することができる。本発明においてクラスレート格子構成元素としてSiあるいはGeを選択し、ドーピング原子としてBaを選択し、置換原子としPを選択することで、熱伝導性と電気伝導度とゼーベック係数をバランス良く良好にすることができる。本発明においてクラスレート格子として、シリコンクラスレート46あるいはシリコンクラスレート34を選択することができる。
【0050】
次に、本発明の熱電材料によれば、基本的な格子がSiまたはGeのクラスレート格子であり、このクラスレート格子の内部にクラスレート格子構成元素よりも比重の大きなBaがドーピングされているので、クラスレート格子の振動が抑制されて熱伝導性が低くされると同時に電気伝導度が向上されるともに、クラスレート格子を構成する原子の一部が価電子数5以上のPで置換されてn型の半導体的な性質に置換される結果としてゼーベック係数が向上されたn型の熱電材料を提供することができる。本発明においてクラスレート格子構成元素としてSiあるいはGeを選択し、ドーピング原子としてBaを選択し、置換原子としPを選択することで、熱伝導性と電気伝導度とゼーベック係数をバランス良く良好にすることができる。本発明においてクラスレート格子として、シリコンクラスレート46あるいはシリコンクラスレート34を選択することができる。
【0051】
本発明に係るクラスレート化合物あるいは熱電材料を製造するに際し、構成元素を混合し、加圧成形後、予備熱処理し、加圧焼結するならば、上述した良好な熱伝導性と電気伝導性とゼーベック係数とを発揮する優れたクラスレート化合物あるいは熱電材料を得ることができる。
【0052】
更に前記構成の優れた熱電材料からn型の熱電素子を構成した本発明の熱電モジュールであるならば、先に説明の如く、低熱伝導率と電気伝導性と良好なゼーベック係数を有する優れた熱電性能を得ることができ、熱電効率の良好な熱電モジュールを提供できる。
【0053】
更に本発明において、p型の熱電素子の構成材料として、Si又はGeのクラスレート格子と、Baのドーピング原子と、Alの置換原子とを主体としてなる熱電材料が用いられるならば、n型の熱電素子の熱電効率の良さに加えてp型の熱電素子の熱電効率も優れた構成にできるので、更に熱電性能の優れた熱電モジュールを提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 図1は本発明に係るシリコンクラスレート化合物のクラスレート格子と侵入原子を含む結晶構造を示す模式図。
【図2】 図2は図1に示すシリコンクラスレート化合物の部分構成単位となるSiの12面体のSi20クラスタとSiの14面体のSi24クラスタを示す模式図。
【図3】 図3は本発明に係るシリコンクラスレート化合物の基本結晶格子構造を示す平面図。
【図4】 図4は本発明に係るシリコンクラスレート化合物の基本結晶格子の2aサイトにBa原子が侵入された構造を示す平面図。
【図5】 図5は本発明に係るシリコンクラスレート化合物の基本結晶格子の6dサイトにBa原子が侵入された構造を示す平面図。
【図6】 図6は本発明に係るシリコンクラスレート化合物を構成するためのシリコンクラスレート34の結晶構造を示す模式図。
【図7】 図7は図6に示すシリコンクラスレート34の部分構成単位となるSiの12面体のSi20クラスタとSiの16面体のSi28クラスタを示す模式図。
【図8】 図8は本発明に係る熱電素子を用いて構成された熱電モジュールの一実施形態を示す断面図。
【図9】 図9は図8に示す熱電モジュールの使用形態例を示すもので、図9(a)は熱電反応を生じさせる場合の構成図、図9(b)は吸熱作用を起こす場合の構成図。
【図10】 図10は本発明に係る熱電モジュールを発電スタックに用いた例を示す断面図。
【図11】 従来のp型熱電材料と本発明に係る熱電材料の性能指数の絶対温度依存性を示す図。
【図12】 従来のn型熱電材料と本発明に係る熱電材料の性能指数の絶対温度依存性を示す図。
【符号の説明】
1…シリコンクラスレート化合物、2…Si20クラスタ、3…Si24クラスタ、10…シリコンクラスレート34、11…Si28クラスタ、30…熱電モジュール、33…p型熱電素子、34…n型熱電素子、35、36…電極板、37、38…接続配線、41、42…電気回路、50…発電スタック、52…熱電モジュール。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
TECHNICAL FIELD The present invention relates to a clathrate compound, a high-efficiency thermoelectric material using the clathrate compound, a production method thereof, and a thermoelectric module, and relates to a technique capable of providing a thermoelectric material having excellent conductivity and Seebeck coefficient and low thermal conductivity. .
[0002]
[Prior art]
Conventionally, various methods of using thermoelectric materials have been studied, but conventional thermoelectric materials have poor thermoelectric conversion efficiency, and are limited to applications that require reliability or special applications. Accordingly, it has been considered difficult to provide thermoelectric materials for the purpose of waste heat power generation, which is considered as a general use.
In order to improve the efficiency of this type of thermoelectric material and use it as a high-efficiency thermoelectric material,
1) low thermal conductivity,
2) High Seebeck coefficient
3) High electrical conductivity,
It is necessary to satisfy the conditions.
[0003]
However, with conventional thermoelectric material development techniques, material development has been carried out by selecting the composition empirically. For this reason, an example in which the dimensionless index (ZT), which is the maximum value of the performance coefficient at a temperature of 700 K or higher, exceeds 1 in a currently developed thermoelectric material is GeTe-AgSbTe known as a p-type thermoelectric material.2It was only.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
Considering the conventional thermoelectric material in such a background, there is no situation that completely satisfies the conditions for becoming a highly efficient thermoelectric material. For example, a metal has a large electrical conductivity as an advantage, but has a large thermal conductivity as a disadvantage and a small Seebeck coefficient. In the case of a semiconductor, although it has a small thermal conductivity and a large Seebeck coefficient as advantages, it does not hold as a high-efficiency thermoelectric material because the electrical conductivity is small. BiTe is known as a thermoelectric material, but it is inefficient and cannot be practically used.
[0005]
In addition, in order to use for general power generation as a thermoelectric material, a p-type thermoelectric material and an n-type thermoelectric material must be combined to form a power generation system. However, the conventional GeTe-AgSbTe is used.2In this case, it is said that there is no n-type.
[0006]
The present invention has been made in view of the above circumstances, and a highly efficient thermoelectric material having a figure of merit exceeding 1 to satisfy the three conditions of high thermal conductivity, high Seebeck coefficient and high electrical conductivity. One of the objects is to provide a clathrate compound which is expected to be applied to the above.
Furthermore, it is an object of the present invention to provide a highly efficient thermoelectric material having a figure of merit exceeding 1 in order to satisfy the three conditions of high thermal conductivity, high Seebeck coefficient, and high electrical conductivity. .
An object of the present invention is to provide an excellent thermoelectric material and thermoelectric module that can be used for general uses such as waste heat power generation.
An object of the present invention is to provide a method capable of easily producing an excellent clathrate compound and a high-efficiency thermoelectric material as described above.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
  The clathrate compound of the present invention was made in view of the above circumstances, and Si orMade of GeA clathrate lattice and a mass larger than the constituent atoms of the clathrate lattice contained in the lattice gap of the clathrate latticeBa'sSubstituted with doping atoms and at least some of the atoms constituting the clathrate latticePIt is characterized by comprising mainly substituted atoms.
[0008]
  Si or GeBasically has semiconducting or insulating properties and has a high Seebeck coefficient, but has low electrical conductivity and high thermal conductivity.Specific gravityBig ofBaBy suppressing the vibration of the clathrate lattice by lowering the thermal conductivity, metal conductivity is imparted and electrical conductivity is improved. Furthermore, it was allowed to penetrate the clathrate latticeBaIn order to weaken the addition of metallic properties byPBy substituting the metal properties closer to those of semi-metals, i.e., semiconductors, synergistically balance the appropriate thermal conductivity, Seebeck coefficient, and electrical conductivity, and have an excellent performance coefficient. obtain.
[0010]
  The clathrate compound of the present invention is, in the above configuration, the clathrate lattice is a silicon clathrate 46 which is a mixed lattice of Si20 clusters composed of dodecahedrons of Si atoms and Si24 clusters composed of tetrahedra of Si atoms. It is characterized by. In the clathrate compound of the present invention, the clathrate lattice is a silicon clathrate 34 which is a mixed lattice of Si20 clusters composed of dodecahedrons of Si atoms and Si28 clusters composed of sixteen-sided Si atoms. It is characterized by.
  Ba doping atoms may enter into the 2a site of the Si20 cluster or the 6d site of the Si24 cluster.
[0011]
  Of the present inventionn-typeHigh efficiency thermoelectric material is Si orMade of GeA clathrate lattice and a mass larger than the constituent atoms of the clathrate lattice contained in the lattice gap of the clathrate latticeBa'sSubstituted with doping atoms and at least some of the atoms constituting the clathrate latticePIt is characterized by comprising mainly substituted atoms.
[0012]
  In the high-efficiency thermoelectric material of the present invention, the clathrate lattice may be a silicon clathrate 46 that is a mixed lattice of Si20 clusters composed of Si atoms dodecahedrons and Si24 clusters composed of Si atoms tetrahedrons.
  In the high-efficiency thermoelectric material of the present invention, the clathrate lattice may be a silicon clathrate 34 that is a mixed lattice of Si20 clusters composed of dodecahedrons of Si atoms and Si28 clusters composed of sixteen-sided Si atoms.
  Furthermore, in the high efficiency thermoelectric material of the present invention, Ba doping atoms may enter into the 2a site of the Si20 cluster or the 6d site of the Si24 cluster.
[0013]
  The method for producing the clathrate compound of the present invention comprises Si orMade of GeA clathrate lattice and a mass larger than the constituent atoms of the clathrate lattice contained in the lattice gap of the clathrate latticeBa'sSubstituted with doping atoms and at least some of the atoms constituting the clathrate latticePWhen producing a clathrate compound mainly composed of substituted atoms, the atoms for constituting the clathrate lattice, the doping atoms, and the substituted atoms are mixed at a predetermined ratio, and after pressure forming into a desired shape, It is characterized by heat treatment and further sintering by pressure sintering.
[0014]
  The method for producing a high-efficiency thermoelectric material of the present invention includes Si orMade of GeA clathrate lattice and a mass larger than the constituent atoms of the clathrate lattice contained in the lattice gap of the clathrate latticeBa'sSubstituted with doping atoms and at least some of the atoms constituting the clathrate latticePMainly with substitution atomsn-typeWhen manufacturing a high-efficiency thermoelectric material, the atoms for constituting the clathrate lattice and the doping atoms are mixed at a predetermined ratio, pressed into a desired shape, subjected to pre-heat treatment, and further subjected to pressure sintering. It is characterized by sintering by the method.
[0015]
In the thermoelectric module of the present invention, one or more pairs of p-type thermoelectric elements and n-type thermoelectric elements are combined via electrodes, a heat exchanging portion is formed on the connection portion side of both thermoelectric elements, and faces the connection portion. An electric circuit is connected to the side, and the high-efficiency thermoelectric material according to any one of claims 5 to 8 is applied as a constituent material of the n-type thermoelectric element.
[0016]
  In the present invention, the constituent material of the p-type thermoelectric element of the thermoelectric module described above is Si orMade of GeA clathrate lattice and a mass larger than the constituent atoms of the clathrate lattice contained in the lattice gap of the clathrate latticeBa'sSubstituted with doping atoms and at least some of the atoms constituting the clathrate latticeAlA thermoelectric material mainly composed of substituted atoms is used.
  In the thermoelectric module of the present invention, the figure of merit (ZT) of the constituent material of the p-type thermoelectric element can be 1.05, and the figure of merit (ZT) of the constituent material of the n-type thermoelectric element is 1. 01.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The clathrate compound according to the present invention is doped with clathrate lattice (basic constitutional unit of clathrate) composed of at least one kind of group IVB elements such as C, Si, Ge, Sn and the like and doped inside this clathrate lattice It is comprised from a doping atom and the substituted atom which substituted a part of several atoms which comprise the said clathrate lattice.
[0018]
“First Embodiment”
FIGS. 1 and 2 show a first embodiment in which a silicon clathrate lattice is applied to the present invention. The silicon clathrate lattice 1 of the first embodiment is formed from a dodecahedron of Si atoms shown in FIG. Si20Si composed of cluster 2 and tetrahedron of Si atomstwenty fourA plurality of structural units 4 combined with the clusters 3 are combined to form a silicon clathrate lattice 1 as shown in FIG.
Of the silicon clathrate lattice 1 shown in FIG.202a site of cluster 2 or Sitwenty fourAt least one of the atoms of Group IA, IIA, IIIA, IB, IIB, and IIIB having a mass greater than Si is doped in at least a part of at least one of the 6d sites of cluster 3 Has been.
[0019]
As the most preferable doping atom used here, Sr, Ba, and Ra among the elements of Group IIA of the periodic table can be exemplified. When these group IIA elements enter the previous site of the Si cluster, the group IIA atoms are divalent, and the two electrons in them move to the atoms constituting the clathrate. Therefore, the clathrate compound as a whole has metallic properties. In addition, since these elements have a mass larger than that of Si constituting the clathrate lattice 1, the vibration of atoms in the clathrate lattice 1 is suppressed, and the lattice vibration is scattered to reduce the heat conduction.
FIG. 3 shows the lattice structure of a silicon clathrate lattice, and Si is present at the apex of the basic unit structure of each lattice. FIG. 4 shows the 2a site (Si20FIG. 5 shows the 6d site (Si) of the silicon clathrate lattice.twenty fourA state in which Ba atoms have invaded the inside of the cluster.
[0020]
In addition to the group IIA atom as the atom doped in the clathrate lattice 1, the group IA atom may be exemplified by Li, Na, K, Rb, Cs, Fr, and the group IIIA atom may be Sc, Y La, lanthanoid elements such as Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Ac, Th, Pa, U, Np, Pu, Am, Cm, Examples include Bk, Cf, Es, Fm, Md, No, and Lr.
Further, Cu, Ag, Au can be exemplified as the group IB doping atom, Zn, Cd, Hg can be exemplified as the group IIB element, and B, Al, Ga, In can be exemplified as the group IIIB doping atom. , Tl can be exemplified.
[0021]
  Next, among the plurality of Si atoms constituting the silicon clathrate lattice 1, at least some of the Si atoms are any of VB group, VIB group, VIIB group, VA group, VIA group, VIIA group, and VIII group in the periodic table. It is substituted with any atom. Replacing a part of Si atoms with these atoms is due to the metallic properties (high thermal conductivity among metallic properties) of the silicon clathrate lattice 1 made metallic by the previous penetration of doping atoms. This is done to suppress or eliminate, and this element substitution gives semiconducting properties and thermal conductivity.LowerAt the same time, the Seebeck coefficient is increased. Of the above-mentioned substitutional elements in each group, the VB group atom, which is considered to easily form a compound, is most preferable, and at least one or more of N, P, As, Sb, and Bi are preferable.
[0022]
Other substituent atoms may include O, S, Se, Te, and Po as group VIB atoms, and F, Cl, Br, I, and At as group VIIB atoms. Further examples of the substitution atom may include Fe, Co, Ni, Ru, RhIr, Ni, Pd, Pt, and Os of group VIII atoms, and examples of V, Nb, and Ta as group VA atoms. Cr, Mo, W can be exemplified as the VIA group atoms, and Mn, Tc, Re can be exemplified as the VIIA group atoms.
[0023]
Next, the material development guideline which this inventor considers for making the said clathrate compound suitable as a thermoelectric material is described. Conventionally, since no clear development guideline has been known in the material development of this type of thermoelectric material, this guideline is originally proposed by the present inventor.
1). Reduction of thermal conductivity
In order to lower the thermal conductivity of the thermoelectric material of the clathrate compound, it is considered possible to scatter the lattice vibration of the clathrate compound. Specifically, an atom heavier than the mass of the atoms constituting the clathrate skeleton is selected as a doping atom and introduced into a site free of the clathrate skeleton. As a result, the doping atom suppresses vibrations of atoms constituting the skeleton. As a result, phonon scattering occurs and the thermal conductivity can be lowered.
[0024]
Next, according to the calculation of the first principle pseudopotential method using the plane wave basis, the intrinsic energy of Ba (EBa)
EBa= (1 / x) ・ (Bax@Si46-Si46) -Ba1 (isolate-atom)It can be expressed by the following formula.
Where x is the number of atoms of solid solution barium, Bax@Si46Is the total energy of the electron system in the case where x barium atoms are dissolved in the silicon clathrate 46, Si46Is the total energy of the electronic system of silicon clathrate 46 alone, Ba1 (isolate-atom)Is the total energy of an electron system with one barium isolated atom.
The barium solid solution energy when 2, 6, and 8 barium atoms enter the silicon clathrate is shown below.
▲ 1 ▼ Ba2@Si46(2a site, 12 Hedra)
Barium solid solution energy: -91.150 / (eV / atom)
▲ 2 ▼ Ba6@Si46(6d site, 14 Hedra)
Barium solid solution energy: -92.805 / (eV / atom)
▲ 3 ▼ Ba8@Si46(2a site + 6d site)
Barium solid solution energy: −93.628 / (eV / atom)
[0025]
From this result, since it is more energetically stable that many barium atoms are dissolved in the silicon clathrate, Ba can easily enter all the void sites of the silicon clathrate lattice according to the present invention, and the lattice vibration The thermal conductivity can be lowered by scattering.
[0026]
2) Improvement of Seebeck coefficient
In order to increase the Seebeck coefficient, it is necessary to obtain an intermediate property between a metal and a semiconductor. First, it is an insulator in a single structure of a silicon clathrate lattice, but at least of atoms of VB group, VIB group, VIIB group, VA group, VIA group, VIIA group, and VIII group having valence electrons of 5 or more. By introducing one type as a donor, it can be converted to an n-type semiconductor and the Seebeck coefficient can be improved.
[0027]
3) Improvement of electrical conductivity
Since the group IVB atoms constituting the silicon clathrate lattice 1 originally have semiconductor or insulating properties, the electrical conductivity cannot be increased by the group IVB atoms alone. Therefore, by introducing any of the group IA, IIA, IIIA, IB, IIB, and IIIB atoms having metallic properties into the vacant sites of the silicon clathrate lattice 1, the electrical conductivity is increased. be able to.
[0028]
As a result of these, the silicon clathrate compound of the first embodiment has characteristics that combine a low thermal conductivity, a high Seebeck coefficient, and a high electrical conductivity that are not found in conventional thermoelectric materials. Has a better figure of merit. The silicon clathrate compound of the first embodiment is an n-type or p-type thermoelectric material.
[0029]
Next, an example of a method for producing the silicon clathrate compound having the above-described configuration will be described.
In the case of using a silicon clathrate 46 lattice, Si, a doping atom powder, and an atomic powder for substitution of clathrate lattice constituent elements are weighed and mixed so as to have a target composition ratio, and these mixed powders are arced. It melt | dissolves by melt | dissolution and melts and obtains the ingot of the target composition. The raw material powder used here may be either a pure powder or a compound powder of each element, but it is preferable to use a pure powder that contains as few impurities as possible.
Next, the ingot is pulverized, and the pulverized powder is inspected by X-ray analysis to determine whether or not the desired composition ratio is obtained. That is, if the target composition is obtained, the process proceeds to the next step. If the target composition is not obtained, the ingot is melted again from the powder mixture, and the newly prepared ingot is analyzed. Moreover, it is preferable to use the powder of the pulverized product to be used with a fine particle size as much as possible.
[0030]
Once the powder of the pulverized product having a good composition ratio is obtained, heat treatment (calcination treatment) is performed in an Ar gas atmosphere or a vacuum atmosphere to remove unnecessary components in a gas state, and the powder after the calcination treatment is further removed. After pulverizing, aligning the particle size, analyzing with X-rays, checking whether the composition ratio is correct, selecting the one with the desired composition ratio, aligning the particle size, and discharging the pulverized product into a discharge plasma device Can be used to obtain a desired thermoelectric element composed of a thermoelectric material of a silicon clathrate compound in a desired shape, for example, a columnar sintered product.
In spark plasma sintering, a mixture of powders is pressed with a pair of punches at a pressure of several MPa to several tens of MPa, and at the same time, an electric current is applied and heated to about 1000 ° C. for about several minutes to several hours. It is a kind of pressure sintering method.
[0031]
In addition, when performing the said heat processing, when manufacturing the silicon clathrate 46, it is preferable to heat-process in Ar gas atmosphere, and when manufacturing the silicon clathrate 34, it is preferable to heat-process in a vacuum atmosphere. Moreover, when the composition ratio has deviated from the target composition by the previous X-ray analysis, the same process is repeated by returning to the process of obtaining the ingot from arc melting again.
[0032]
By the way, in the above-mentioned manufacturing process, instead of arc melting, a mechanical alloying treatment can be performed to obtain a mixed powder having a desired composition ratio. Mechanical alloying is a process in which powder mixed in a hollow attritor containing a large number of metal balls such as stainless steel balls is mixed, then the attritor is rotated at high speed to mix the powder, and the powder is pulverized between the metal balls. In this method, mixed powder is obtained by mixing. The thermoelectric element of the silicon clathrate compound according to the present invention can also be obtained by molding the mixed powder obtained by performing the mechanical alloying treatment in this way, preliminarily heat-treating, and further sintering.
[0033]
Further, in the above manufacturing method, when Ba is used as a doping atom and P is selected as a substitution atom, Ba becomes a nucleus during powder mixing, first attracts Si, and a large number of clusters are generated. Clusters are considered to form a cluster lattice. Therefore, a clathrate compound can be produced by an extremely simple method of mixing necessary elements, performing a calcining treatment, and then sintering. Therefore, the clathrate compound of the present invention has a simple production method as compared with conventional thermoelectric materials, and a highly efficient compound having a high figure of merit at 700 K or higher can be obtained.
[0034]
“Second Embodiment”
FIG. 6 is a schematic diagram of the crystal structure of the silicon clathrate 34 constituting the clathrate lattice of the second embodiment of the silicon clathrate compound according to the present invention. The crystal structure 10 of the silicon clathrate 34 is composed of Si dodecahedron as shown in FIG.20Si composed of clathrate 11 and Si icosahedron28A plurality of basic structural units 13 composed of the class rate 12 are combined to form a silicon class rate 34.
[0035]
Si constituting the silicon clathrate 34 of the second embodiment20At the 2a site of clathrate 11 or Sitwenty fourAt the 6d site of clathrate 12, atoms in the periodic table IA, IIA, IIIA, IB, IIB, IIIB having a mass larger than that of Si as in the first embodiment For example, Ba is doped.
Further, as in the case of the first embodiment, a part of Si constituting the silicon clathrate 34 is in the periodic table VB group, VIB group, VIIB group, VA group, VIA group, VIIA group, VIII group. It is substituted with any atom, for example P.
In the silicon clathrate compound of the second embodiment, excellent characteristics as a thermoelectric material can be obtained in the same manner as the silicon clathrate compound of the first embodiment.
[0036]
“Third Embodiment”
FIG. 8 shows an embodiment of a thermoelectric module constructed using a silicon clathrate compound thermoelectric material according to the present invention. The thermoelectric module 30 of this embodiment is insulated in the vertical direction so as to be opposed to each other. A plurality of thermoelectric elements 33 made of p-type columnar thermoelectric materials and a plurality of thermoelectric elements 34 made of n-type columnar thermoelectric materials are alternately arranged between adjacent substrates 31 and 32 and adjacent to each other. When the lower end portions of one set of thermoelectric elements 33 and 34 are intermittently connected by the electrode plate 35, and the upper end portions of other thermoelectric elements 33 and 34 adjacent to each other are intermittently connected by the electrode plate 36. At the same time, a plurality of electrode plates 35, 36 are connected so that the ends of the adjacent p-type thermoelectric elements 33 and the ends of the n-type thermoelectric elements 34 are alternately connected and all the thermoelectric elements are connected in series. Connected with. Of the plurality of thermoelectric elements 33 between the upper and lower substrates, the connection wiring 37 is joined to the thermoelectric element 33 at one end, and the connection wiring 38 is joined to the thermoelectric element 34 at the other end. Has been configured.
Here, the n-type thermoelectric element 34 is composed of a thermoelectric material made of the clathrate compound described above.
[0037]
The thermoelectric module 30 having the configuration shown in FIG. 8 has a resistor 39 as a load connected between the connection wires 37 and 38 by heating the upper electrode plate 36 side as shown in FIG. 9A. If the electric circuit 41 is configured, the electrode plate 36 side is heated by another heat source, and the electrode plate 35 side is radiated to cause a potential difference between the connection wirings 37 and 38 so that a current flows. Can be used for thermoelectric power generation.
Further, the thermoelectric module 30 shown in FIG. 8 incorporates a power supply 40 in the connection wirings 37 and 38 as shown in FIG. 9B, and flows current in the direction indicated by the arrow, so that the upper electrode plate 36 side is provided. Therefore, the lower electrode plate 35 side can be used as a thermoelectric cooler by the above endothermic action.
[0038]
Next, a thermoelectric material of a clathrate compound suitable for constituting the p-type thermoelectric element 33 will be described.
In the silicon clathrate compound described above, a part of the silicon clathrate lattice is substituted with atoms such as P, and a part of the atoms of the silicon clathrate lattice is substituted with atoms having a valence of 5 or more. However, since the atoms constituting the silicon clathrate lattice are IV valences, 1 to 3 valence atoms, for example, IA group, IIA group, IIIA group, IB group having 1 to 3 valence electrons, When substitution is made with either an IIB group or an IIIB group atom, the 1 to 3 valence electrons therein move to the group IVB atom side constituting the clathrate. Therefore, the silicon clathrate lattice can be converted into p-type semiconductor properties as a whole.
[0039]
Of the above-mentioned substitutional elements in each group, the group IIIB atom, which is considered to easily form a compound, is most preferred, and at least one or more of B, Al, Ga, In, and Tl are preferred.
Other substituent atoms can include Cu, Ag, and Au as group IB atoms, and Zn, Cd, and Hg as group IIB atoms.
Furthermore, as an outer substituent atom, Li, Na, K, Rb, Cs, Fr of Group IA, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Group IIIA Sc, Y of Group IIIA, La, and lanthanoid element La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Ac, as actinoid elements, Th, Pa, U, Np, Pu, Am, Cm, Bk, Cf, Es, Fm, Md, No, Lr can be exemplified.
[0040]
A p-type silicon clathrate compound can be obtained by allowing the above-described elements to penetrate the silicon clathrate lattice and substituting a part of the elements of the silicon clathrate lattice with the above elements. Here, for example, Ba is penetrated into the lattice of the silicon clathrate 46 by the same method as in the examples described later, and a part of Si is replaced with Al, so that the obtained silicon clathrate compound has a p-type. Moreover, it has been found by experiments of the present inventors that 1.01 can be obtained at 700 K in the performance coefficient.
Therefore, the thermoelectric element 33 can be manufactured from the p-type thermoelectric material having the above composition. As a result, the p-type thermoelectric element 33 can be composed of a thermoelectric material having a performance coefficient of 1.01, and the n-type thermoelectric element 34 can be composed of a thermoelectric material having a performance coefficient of 1.05 as in the embodiments described later. In this case, a thermoelectric module having extremely excellent power generation efficiency or heat absorption efficiency can be obtained.
[0041]
FIG. 10 shows an example of a power generation stack using the thermoelectric material of the present invention. The power generation stack 50 in this example is formed on the outer peripheral portion of an inner shell 51 made of a flat multi-hole tube through which exhaust gas or the like flows. The six power generation modules 52 are mounted, and a flat outer shell 54 is provided on the outside of the power generation module 52 so as to cover them, and the heat of the exhaust gas flowing inside the inner shell 51 is utilized. It is comprised so that electric power generation can be performed.
Also in the power generation stack of this embodiment, the thermoelectric module 52 can be used for power generation by configuring the power generation module 52 similarly to the thermoelectric module 30 of the previous embodiment.
[0042]
Here, the figure of merit (ZT) frequently used as a performance index of the thermoelectric material will be described below.
The performance of thermoelectric materials is as follows: α is thermoelectric power, κ is thermal conductivity, and ρ is specific resistance.
Z = α2/ Κρ (1) It is shown by the formula (1).
In addition, the figure of merit of the thermoelectric module shown in FIG.
Zpn= (Αpn)2/ (Κpρp+ Κnρn)2    ... indicated by equation (2)
The subscript corresponds to each value of the p-type molded body and the n-type molded body.
The maximum power generation efficiency of the thermoelectric material is the temperature at the high temperature end and the low temperature end respectively.hAnd TcThen,
ηmax= (Th/ Th-Tc) ・ {(M−1) / (M + Th/ Tc)} ... (3) formula,
M = (1 + Z (Th+ Tc) / 2)1/2  ... expressed by equation (4).
[0043]
On the other hand, the maximum coefficient of performance for thermoelectric cooling is
φmax= (Th/ Th-Tc) ・ {(MTh/ Tc) / (M + 1)} (5), and in thermoelectric heating, φmaxGiven by +1. In addition, if the heat absorption part is completely insulated and there is no inflow of heat, TcBecomes the most lowered state, φmax= 0, the maximum cooling temperature difference is
ΔTmax= (Th-Tc )max = (1/2) · ZT2 c  ... The relationship of equation (6) is obtained.
[0044]
Here, in general, thermoelectric cooling / heating is performed using a temperature difference (Th-Tc) Since it is used in the range of ≦ 100K, a higher Z becomes a necessary condition, and now it is 3.4 × 10-3K-1More than that is required.
On the other hand, ThHowever, it is required to be a heat-resistant material that is chemically stable at high temperatures. In general, the figure of merit Z has a temperature dependency inherent to the material, but the temperature at which the maximum value varies depends on the material.
Materials whose maximum value ZT of the figure of merit Z exceeds 1 are currently GeTe-AgSbTe.2And most other materials show ZT values lower than 1.
FIG. 11 and FIG. 12 show the absolute temperature dependence of the figure of merit of the p-type and n-type thermoelectric materials known in the past. As is clear from these figures, the maximum figure of merit A value exceeding ZT = 1 indicates that in the case of p-type GeTe—AgSbTe in the temperature range of 600 to 900K.2Only, and there is no outside. In the n-type, only SiGe (GaP) is promising in a specific narrow temperature range, and does not exist at room temperature to 700K.
[0045]
On the other hand, if it is a thermoelectric material according to the present invention, it is possible to provide an n-type thermoelectric material having a ZT exceeding 1 as will be apparent from Examples described later. Therefore, if a thermoelectric module is configured using the thermoelectric material of the present invention, a highly efficient thermoelectric module that is far superior to that of conventional thermoelectric materials can be provided.
[0046]
Next, the Seebeck coefficient will be described.
In the thermoelectric module shown in FIG. 9B, when a current flows from the power source 40 in the direction of the arrow, the current I flows through the electric circuit 42 and Peltier heat is generated on the upper electrode plate 36 side, and the Seebeck coefficient of the n-type thermoelectric element 34 -Αn, The Seebeck constant of the p-type elementp, Α of the Seebeck coefficient of the electrode platemThen, the upper electrode plate and the PN element Peltier heat absorption QcpIs
Qcp  = (-Αnm ) TcI + (αm -Αp) TcI = − (αn+ Αp) TcI
And αm Can be ignored. Where TcIs the temperature of the junction. αe= Αn+ ΑpAs the absolute value Q of the endothermic quantity.cpQcp= ΑeTcI.
Thus, since the Seebeck coefficient is an index when the heat calculation of the thermoelectric module is performed, this numerical value is widely known as having a great influence on the performance improvement of the thermoelectric module.
[0047]
【Example】
The present invention will be described in more detail with reference to the following examples, but the present invention is not limited to these examples.
Each powder was weighed so that the composition ratio (atomic%) of Ba, Si, and P was Ba: Si: P = 8: 26: 20, and a mixed powder was prepared by mechanical alloying treatment. This mixed powder is subjected to a preliminary heat treatment in which the mixed powder is heated to 800 ° C. for 24 hours in an Ar gas atmosphere. Plasma sintering was performed at 40 ° C. and a pressure of 40 MPa for 30 minutes.
As a result of X-ray diffraction of the obtained columnar sintered product,
space group: Pm3m origin at 43m (In the crystallographic analysis, Pm3Usually overlined above 3 of m, but here about overline of 33A silicon clathrate 46 Ba having a lattice constant of 10.5108@ (Si26, P20) Was confirmed. Moreover, as a result of measuring the figure of merit (ZT) at 700 K of this sintered product, it was confirmed that it was 1.05, a value exceeding 1.
[0048]
In addition, the same process is performed, each powder is weighed so that the composition ratio (atomic%) of Ba: Si: Al = 8: 26: 20, and the thermoelectric power of the silicon clathrate compound is started from this mixed powder. Sintered material “silicon clathrate 46 Ba8@ (Si26, Al20) ”. When the figure of merit of this sintered body at 700 K was measured, an excellent value of the figure of merit 1.01 shown in FIG. 11 in terms of the SiBaAl clathrate compound was shown.
From the above results, silicon clathrate 46 Ba8@ (Si26, P20) To form an n-type thermoelectric element, and a silicon clathrate 46 Ba8@ (Si26, Al20It was found that a thermoelectric module having excellent thermoelectric efficiency can be obtained by forming a thermoelectric module by forming a p-type thermoelectric element with the thermoelectric material.
[0049]
【The invention's effect】
  As explained above, according to the clathrate compound of the present invention, the basic lattice is Si orGeIt is a clathrate lattice, and its specific gravity is larger than the constituent elements of the clathrate lattice inside the clathrate latticeBaTherefore, the vibration of the clathrate lattice is suppressed and the thermal conductivity is lowered, and at the same time the electrical conductivity is improved, and some of the atoms constituting the clathrate lattice have 5 or more valence electrons.PA clathrate compound having an improved Seebeck coefficient can be provided as a result of substitution and substitution to n-type semiconducting properties. In the present invention, Si or Ge is selected as the clathrate lattice constituent element, Ba is selected as the doping atom, and P is selected as the substitution atom, so that the thermal conductivity, electrical conductivity, and Seebeck coefficient are well balanced. be able to. In the present invention, the silicon clathrate 46 or the silicon clathrate 34 can be selected as the clathrate lattice.
[0050]
  Next, according to the thermoelectric material of the present invention, the basic lattice is Si orGeIt is a clathrate lattice, and its specific gravity is larger than the constituent elements of the clathrate lattice inside the clathrate latticeBaTherefore, the vibration of the clathrate lattice is suppressed and the thermal conductivity is lowered, and at the same time the electrical conductivity is improved, and some of the atoms constituting the clathrate lattice have 5 or more valence electrons.PAn n-type thermoelectric material with an improved Seebeck coefficient can be provided as a result of substitution and substitution with n-type semiconducting properties. In the present invention, Si or Ge is selected as the clathrate lattice constituent element, Ba is selected as the doping atom, and P is selected as the substitution atom, so that the thermal conductivity, electrical conductivity, and Seebeck coefficient are well balanced. be able to. In the present invention, the silicon clathrate 46 or the silicon clathrate 34 can be selected as the clathrate lattice.
[0051]
In producing the clathrate compound or thermoelectric material according to the present invention, if the constituent elements are mixed, after pressure forming, preheated, and pressure sintered, the above-described good thermal conductivity and electrical conductivity An excellent clathrate compound or thermoelectric material exhibiting a Seebeck coefficient can be obtained.
[0052]
Furthermore, if it is the thermoelectric module of the present invention in which an n-type thermoelectric element is configured from the thermoelectric material having the above-described configuration, as described above, an excellent thermoelectric device having low thermal conductivity, electrical conductivity, and a good Seebeck coefficient. Performance can be obtained and a thermoelectric module with good thermoelectric efficiency can be provided.
[0053]
  Furthermore, in the present invention, as a constituent material of the p-type thermoelectric element,Si or GeA clathrate lattice,BaDoping atoms ofAlIf a thermoelectric material mainly composed of substitution atoms is used, the thermoelectric efficiency of the p-type thermoelectric element can be made excellent in addition to the good thermoelectric efficiency of the n-type thermoelectric element. A thermoelectric module can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing a crystal structure including a clathrate lattice and an intruding atom of a silicon clathrate compound according to the present invention.
2 is a dodecahedron of Si serving as a partial structural unit of the silicon clathrate compound shown in FIG.20Cluster and Si tetrahedral Sitwenty fourThe schematic diagram which shows a cluster.
FIG. 3 is a plan view showing a basic crystal lattice structure of a silicon clathrate compound according to the present invention.
FIG. 4 is a plan view showing a structure in which Ba atoms have entered the 2a site of the basic crystal lattice of the silicon clathrate compound according to the present invention.
FIG. 5 is a plan view showing a structure in which Ba atoms have penetrated into the 6d site of the basic crystal lattice of the silicon clathrate compound according to the present invention.
FIG. 6 is a schematic view showing a crystal structure of a silicon clathrate 34 for constituting a silicon clathrate compound according to the present invention.
7 is a Si dodecahedron of Si serving as a partial structural unit of the silicon clathrate 34 shown in FIG.20Cluster and Si 16-hedron Si28The schematic diagram which shows a cluster.
FIG. 8 is a cross-sectional view showing one embodiment of a thermoelectric module configured using the thermoelectric element according to the present invention.
9 shows an example of how the thermoelectric module shown in FIG. 8 is used. FIG. 9 (a) is a configuration diagram in the case where a thermoelectric reaction is caused, and FIG. 9 (b) is a case in which an endothermic effect is caused. Diagram.
FIG. 10 is a cross-sectional view showing an example in which the thermoelectric module according to the present invention is used in a power generation stack.
FIG. 11 is a diagram showing the absolute temperature dependence of the figure of merit of a conventional p-type thermoelectric material and the thermoelectric material according to the present invention.
FIG. 12 is a diagram showing the absolute temperature dependence of the figure of merit of a conventional n-type thermoelectric material and the thermoelectric material according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1 ... silicon clathrate compound, 2 ... Si20Cluster, 3 ... Sitwenty fourCluster, 10 ... silicon clathrate 34, 11 ... Si28Cluster, 30 ... thermoelectric module, 33 ... p-type thermoelectric element, 34 ... n-type thermoelectric element, 35, 36 ... electrode plate, 37, 38 ... connection wiring, 41, 42 ... electric circuit, 50 ... power generation stack, 52 ... thermoelectric module.

Claims (13)

SiまたはGeからなるクラスレート格子と、該クラスレート格子の格子間隙に内包され該クラスレート格子の構成原子よりも質量の大きなBaのドーピング原子と、前記クラスレート格子を構成する原子の少なくとも一部と置換されたPの置換原子とを主体としてなることを特徴とするクラスレート化合物。A clathrate lattice made of Si or Ge; a Ba doping atom contained in the lattice gap of the clathrate lattice and having a mass larger than that of the constituent atoms of the clathrate lattice; and at least a part of the atoms constituting the clathrate lattice And a substituted atom of P substituted. 前記クラスレート格子が、Si原子の12面体からなるSi20クラスタと、Si原子の14面体からなるSi24クラスタの混合格子であるシリコンクラスレート46であることを特徴とする請求項1に記載のクラスレート化合物。2. The clathrate according to claim 1, wherein the clathrate lattice is a silicon clathrate 46 that is a mixed lattice of a Si20 cluster composed of a dodecahedron of Si atoms and a Si24 cluster composed of a tetrahedron of Si atoms. Compound. 前記クラスレート格子が、Si原子の12面体からなるSi20クラスタと、Si原子の16面体からなるSi28クラスタの混合格子であるシリコンクラスレート34であることを特徴とする請求項1に記載のクラスレート化合物。2. The clathrate according to claim 1, wherein the clathrate lattice is a silicon clathrate 34 that is a mixed lattice of a Si20 cluster composed of a dodecahedron of Si atoms and a Si28 cluster composed of a sixteen-faced Si atom. Compound. 前記Si20クラスタの2aサイトあるいはSi24クラスタの6dサイトにBaのドーピング原子が侵入されてなることを特徴とする請求項2に記載のクラスレート化合物。The clathrate compound according to claim 2, wherein a Ba doping atom is penetrated into the 2a site of the Si20 cluster or the 6d site of the Si24 cluster. SiまたはGeからなるクラスレート格子と、該クラスレート格子の格子間隙に内包され該クラスレート格子の構成原子よりも質量の大きなBaのドーピング原子と、前記クラスレート格子を構成する原子の少なくとも一部と置換されたPの置換原子とを主体としてなることを特徴とするn型の高効率熱電材料。A clathrate lattice made of Si or Ge, a doping atom of Ba contained in a lattice gap of the clathrate lattice and having a mass larger than that of the constituent atoms of the clathrate lattice, and at least a part of the atoms constituting the clathrate lattice An n-type high-efficiency thermoelectric material characterized in that it mainly comprises a substituted atom of P. 前記クラスレート格子が、Si原子の12面体からなるSi20クラスタと、Si原子の14面体からなるSi24クラスタの混合格子であるシリコンクラスレート46であることを特徴とする請求項5に記載の高効率熱電材料。6. The high efficiency according to claim 5, wherein the clathrate lattice is a silicon clathrate 46 which is a mixed lattice of a Si20 cluster composed of a dodecahedron of Si atoms and a Si24 cluster composed of a tetrahedron of Si atoms. Thermoelectric material. 前記クラスレート格子が、Si原子の12面体からなるSi20クラスタと、Si原子の16面体からなるSi28クラスタの混合格子であるシリコンクラスレート34であることを特徴とする請求項5に記載の高効率熱電材料。6. The high efficiency according to claim 5, wherein the clathrate lattice is a silicon clathrate 34 that is a mixed lattice of a Si20 cluster composed of a dodecahedron of Si atoms and a Si28 cluster composed of a dodecahedron of Si atoms. Thermoelectric material. 前記Si20クラスタの2aサイトあるいはSi24クラスタの6dサイトにBaのドーピング原子が侵入されてなることを特徴とする請求項6に記載の高効率熱電材料。The high-efficiency thermoelectric material according to claim 6, wherein Ba doping atoms are intruded into the 2a site of the Si20 cluster or the 6d site of the Si24 cluster. SiまたはGeからなるクラスレート格子と、該クラスレート格子の格子間隙に内包され該クラスレート格子の構成原子よりも質量の大きなBaのドーピング原子と、前記クラスレート格子を構成する原子の少なくとも一部と置換されたPの置換原子とを主体としてなるクラスレート化合物を製造するに際し、前記クラスレート格子を構成するための原子と前記ドーピング原子と前記置換原子を所定比率で混合し、所望の形状に加圧成形後、予備熱処理を施し、更に加圧焼結法によって焼結することを特徴とするクラスレート化合物の製造方法。A clathrate lattice made of Si or Ge; a Ba doping atom contained in the lattice gap of the clathrate lattice and having a mass larger than that of the constituent atoms of the clathrate lattice; and at least a part of the atoms constituting the clathrate lattice When the clathrate compound mainly composed of the substituted atoms of P substituted with the above, the atoms for constituting the clathrate lattice, the doping atoms, and the substituted atoms are mixed at a predetermined ratio to obtain a desired shape. A method for producing a clathrate compound, characterized in that after pressure molding, preliminary heat treatment is performed, and further sintering is performed by pressure sintering. SiまたはGeからなるクラスレート格子と、該クラスレート格子の格子間隙に内包され該クラスレート格子の構成原子よりも質量の大きなBaのドーピング原子と、前記クラスレート格子を構成する原子の少なくとも一部と置換されたPの置換原子とを主体としてなるn型の高効率熱電材料を製造するに際し、前記クラスレート格子を構成するための原子と前記ドーピング原子とを所定比率で混合し、所望の形状に加圧成形後、予備熱処理を施し、更に加圧焼結法によって焼結することを特徴とする高効率熱電材料の製造方法。A clathrate lattice made of Si or Ge; a Ba doping atom contained in the lattice gap of the clathrate lattice and having a mass larger than that of the constituent atoms of the clathrate lattice; and at least a part of the atoms constituting the clathrate lattice When the n-type high-efficiency thermoelectric material mainly composed of the substituted atoms of P and the substituted atoms is mixed with atoms for forming the clathrate lattice and the doping atoms in a predetermined ratio, and a desired shape A method for producing a high-efficiency thermoelectric material, characterized in that after pressure forming, pre-heat treatment is performed, and further, sintering is performed by pressure sintering. p型の熱電素子とn型の熱電素子が電極を介して1対以上組み合わされ、両熱電素子の接続部分側に熱交換部が形成され、該接続部分に対向する側に電気回路が接続されてなり、前記n型の熱電素子の構成材料として請求項5〜8のいずれかに記載の高効率熱電材料が適用されてなることを特徴とする熱電モジュール。  One or more pairs of p-type thermoelectric elements and n-type thermoelectric elements are combined via electrodes, a heat exchange part is formed on the connection part side of both thermoelectric elements, and an electric circuit is connected to the side opposite to the connection part. A high-efficiency thermoelectric material according to any one of claims 5 to 8 is applied as a constituent material of the n-type thermoelectric element. 前記p型の熱電素子の構成材料として、SiまたはGeからなるクラスレート格子と、該クラスレート格子の格子間隙に内包され該クラスレート格子の構成原子よりも質量の大きなBaのドーピング原子と、前記クラスレート格子を構成する原子の少なくとも一部と置換されたAlの置換原子とを主体としてなる熱電材料が用いられてなることを特徴とする請求項11記載の熱電モジュール。As a constituent material of the p-type thermoelectric element, a clathrate lattice made of Si or Ge, a Ba doping atom contained in a lattice gap of the clathrate lattice and having a mass larger than that of the constituent atoms of the clathrate lattice, The thermoelectric module according to claim 11, wherein a thermoelectric material mainly comprising at least part of atoms constituting the clathrate lattice and substituted Al atoms substituted is used. 前記p型の熱電素子の構成材料の性能指数(ZT)が1.05であり、前記n型の熱電素子の構成材料の性能指数(ZT)が1.01であることを特徴とする請求項12に記載の熱電モジュール。The figure of merit (ZT) of the constituent material of the p-type thermoelectric element is 1.05, and the figure of merit (ZT) of the constituent material of the n-type thermoelectric element is 1.01. The thermoelectric module according to 12.
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