JP4413323B2 - Thermoelectric material, manufacturing method thereof, and thermoelectric module using thermoelectric material - Google Patents

Thermoelectric material, manufacturing method thereof, and thermoelectric module using 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、低熱伝導性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。
【0003】
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。
【0004】
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。
【0005】
【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。
【0006】
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。
【0007】
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。
【0008】
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。
【0009】
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とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
本発明のp型の熱電材料は前記事情に鑑みてなされたもので、SiまたはGeを主体として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を主体としてなることを特徴とする。
【0011】
IVB族元素のSi又はGeのクラスレート格子は基本的には半導体的または絶縁体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価電子数1〜3個のIA〜IIIB族元素の元素の比重の大きな原子である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原子による金属的な性質の付与を調整するためにクラスレート格子の一部をIA〜IIIB族元素のAlで置換することで金属的な性質を半金属、即ち、半導体的な性質に近づけ、これらの相乗効果として適切な熱伝導率と高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。
【0015】
本発明の熱電材料は、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。本発明の熱電材料は、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。
本発明の熱電材料において、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なる構成とすることができる。
本発明の熱電材料において性能指数(ZT)を700Kにおいて1を超える値とすることができる。
【0017】
本発明のp型の熱電材料の製造方法は、SiまたはGeを主体として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p型の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。
本発明の熱電材料の製造方法において、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。
本発明の熱電材料の製造方法において、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。
本発明の熱電材料の製造方法において、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のドーピング原子を侵入させた構成とすることができる。
本発明の熱電材料の製造方法において、性能指数(ZT)が700Kにおいて1を超える熱電材料を得ることができる。
【0018】
本発明の熱電材料は、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p型の熱電素子の構成材料として先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。
本発明の熱電材料は、前記p型の熱電素子の構成材料の性能指数(ZT)が700Kにおいて1を超える値であることを特徴とする。
【0019】
【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少なくとも一部を置換した置換原子とから構成される。
【0020】
「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族の原子の少なくとも1種がドーピングされてなる。
図3はシリコンクラスレート格子1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1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1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。
【0021】
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、Be、Mg、Ca、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。
【0022】
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、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。
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。
【0023】
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。
【0024】
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、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、アクチノイド元素として、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。
【0025】
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設計において、明確な開発指針は存在しないので、この開発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。
【0026】
次に、平面波基底による第1原理擬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/atm)
▲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/atm)
▲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/atm)
【0027】
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。
【0028】
2).ゼーベック係数の向上
IVB族の原子であるシリコンクラスレート格子1の空いたサイトにドーピング原子として価電子の数が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を侵入させると、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族原子へ移る。そのため、シリコンクラスレート格子1を全体として金属的にすることができる。ここでシリコンクラスレート格子1を構成しているSi原子の少なくとも一部を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金属的な性質から半導体的な性質に変換することができ、ゼーベック係数を高くすることができる。
【0029】
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族原子は半導体であるために、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基本構成単位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。
【0030】
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、本実施形態のシリコンクラスレート化合物はp型の熱電材料となる。
【0031】
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の基本構成単位を用いる場合は、Siとドーピング原子の粉末とクラスレート基本構成単位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。
【0032】
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。
【0033】
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。
加熱加圧焼結により得られたシリコンクラスレート化合物の熱電素子はp型の熱電材料として使用することができる。
【0034】
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。
【0035】
また、上記の製造方法において、ドーピング原子としてBaを置換原子としてAlを選択した場合は、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。
【0036】
「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実施形態の基本構成単位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。
【0037】
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IB族、IIB族、IIIB族のいずれかの原子、例えばAl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。
【0038】
「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。
ここで前記熱電素子33のうち、p型のもの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。また、n型の熱電材料としては、従来材料の熱電性能指数を示す図12に示すような従来材料から適宜選択して用いることができる。
【0039】
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側を他の熱源で連続加熱し、電極板35側を放熱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を接続し、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側で発熱させて熱電冷却器として使用することができる。
【0040】
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30を発電用に供することができる。
【0041】
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。
【0042】
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。
【0043】
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、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。
【0044】
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p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。
【0045】
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。
【0046】
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p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。
【0047】
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
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知られている。
【0048】
【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Alを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、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10.3Åの構造を有するシリコンクラスレート46 Ba8@(Si26,Al20)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1.01であることを確認することができた。
【0049】
【発明の効果】
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の原子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1〜3個のAlで置換されて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p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Al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。前記Si 20 クラスタの2aサイトあるいはSi 24 クラスタの6dサイトにBaのドーピング原子を侵入させてなる構造であれば、熱電材料として優れた特徴を得ることができる。
本発明において、先に記載のp型の熱電材料により、性能指数(ZT)として700Kにおいて1を超える優れた値を得ることができる。
【0051】
本発明に係る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熱電材料を得ることができる。
また、本発明の熱電材料の製造方法により、性能指数(ZT)として700Kにおいて1を超える優れた値を示す熱電材料を得ることができる。
【0052】
更に本発明の熱電モジュールであるならば、先に説明の如く、低い熱伝導率と電気伝導性と良好なゼーベック係数を有し、優れた性能係数を有する熱電性能を得ることができる。
【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とSiの14面体のSi24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とSiの16面体のSi28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格子、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、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.
[0003]
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.
[0004]
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) exceeds 1 at a temperature of 700 K or higher in the currently developed thermoelectric material is GeTe-AgSbTe known as a p-type thermoelectric material.2It was only.
[0005]
[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, it has a small thermal conductivity and a large Seebeck coefficient as advantages, but 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.
[0006]
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.
[0007]
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. .
[0008]
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.
[0009]
An object of the present invention is to provide a method capable of easily producing the excellent clathrate compound and the high-efficiency thermoelectric material as described above.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
  P-type of the present inventionHeat ofThe electric material was made in view of the above circumstances, and a clathrate lattice mainly composed of Si or Ge, and doping of Ba contained in the lattice gap of the clathrate lattice and having a mass larger than the constituent atoms of the clathrate lattice. It is characterized by comprising mainly atoms and Al substituted with at least a part of the atoms constituting the clathrate lattice.
[0011]
  IVB group elementSi or GeThe clathrate lattice basically has a semiconducting or insulating property and a high Seebeck coefficient, but has low electrical conductivity and high thermal conductivity. Therefore, the clathrate lattice has 1 to 3 valence electrons. Atom with high specific gravity of elements of group IA to IIIB elementsBaBy suppressing the vibration of the clathrate lattice by lowering the thermal conductivity, metal conductivity is imparted and electrical conductivity is improved. Further, in order to adjust the provision of metallic properties by atoms that have penetrated into the clathrate lattice, a part of the clathrate lattice is changed to IA to IIIBAlBy substituting with, the metallic properties are close to semi-metallic, i.e. semiconducting properties, and as a synergistic effect of these, the appropriate thermal conductivity, high Seebeck coefficient and electrical conductivity are balanced, and the performance coefficient is excellent. Get things.
[0015]
  The present inventionHeat ofIn the electric material, the clathrate lattice is composed of Si dodecahedron.20Si composed of clusters and tetrahedrons of Si atoms24The silicon clathrate 46 is a mixed lattice of clusters. The present inventionHeat ofIn the electric material, the clathrate lattice is composed of Si dodecahedron.20Si consisting of a cluster and a 16-hedron of Si atoms28The silicon clathrate 34 is a mixed lattice of clusters.
  The present inventionHeat ofIn the electric material, the Si20A structure in which Ba doping atoms are penetrated into the 2a site of the cluster or the 6d site of the Si24 cluster can be employed.
  The present inventionHeat ofThe figure of merit (ZT) can be set to a value exceeding 1 at 700K.
[0017]
  P-type of the present inventionHeat ofA method for producing an electric material includes a clathrate lattice mainly composed 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 constituent atoms of the clathrate lattice, and the clathrate. P-type mainly composed of at least part of atoms constituting the lattice and substituted Al atoms substitutedHeat ofWhen manufacturing an electric material, the atoms for constituting the clathrate lattice and the doping atoms are mixed at a predetermined ratio, subjected to pressure forming into a desired shape, subjected to a preliminary heat treatment, and further subjected to pressure sintering. It is characterized by sintering.
  The present inventionHeat ofIn the method for manufacturing an electric material, the clathrate lattice may be made of Si consisting of a dodecahedron of Si atoms.20Si composed of clusters and tetrahedrons of Si atoms24A silicon clathrate 46 which is a mixed lattice of clusters can be obtained.
  The present inventionHeat ofIn the method for manufacturing an electric material, the clathrate lattice may be made of Si consisting of a dodecahedron of Si atoms.20Si consisting of a cluster and a 16-hedron of Si atoms28It can be a silicon clathrate 34 which is a mixed lattice of clusters.
  The present inventionHeat ofIn the method of manufacturing an electrical material, the Si20Cluster 2a site or Si24A configuration can be adopted in which Ba doping atoms enter the 6d sites of the cluster.
  The present inventionHeat ofIn the method for producing an electric material, a thermoelectric material having a figure of merit (ZT) exceeding 1 at 700K can be obtained.
[0018]
  In the thermoelectric material 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 the connection portions are opposed to each other. As a constituent material of the p-type thermoelectric element, an electric circuit is connected to the sidePreviousAny one of the high-efficiency thermoelectric materials described above is applied.
  The thermoelectric material of the present invention is characterized in that the figure of merit (ZT) of the constituent material of the p-type thermoelectric element is a value exceeding 1 at 700K.
[0019]
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 at least one part of the some atom which comprises the said clathrate lattice.
[0020]
“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 part of at least one of the 6d sites of cluster 3 is doped with at least one of atoms of Group IA, IIA, IIIA, IB, IIB, and IIIB having a mass greater than Si .
FIG. 3 shows the lattice structure of the silicon clathrate lattice 1, 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 1.twenty fourA state in which Ba atoms have invaded the inside of the cluster.
[0021]
Examples of the most preferable doping atom used here include Be, Mg, Ca, Sr, Ba, and Ra among the elements of Group IIA of the periodic table. 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.
[0022]
In addition to the group IIA atom as the atom doped in the clathrate lattice 1, Li, Na, K, Rb, Cs, Fr can be exemplified as the group IA atom, and Sc, Y as the group IIIA atom La, lanthanoid elements, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, Ac, actinoid elements Th, Pa, U, Np, Pu, Am, Cm, Bk, Cf, Es, Fm, Md, No, Lr can be exemplified.
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.
[0023]
  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.
[0024]
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 substitution atom, Li, Na, K, Rb, Cs, Fr of Group IA, Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Ra, Group IIIA of Sc, Y, La, and lanthanoid elements of Group IIA, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, actinoid elements such as Ac, Th, Pa, U, Np, Pu, Am, Cm, Bk, Cf, Es, Fm, Md, No, Lr can be exemplified.
[0025]
Next, the material development guideline which this inventor considers for making the said clathrate compound suitable as a thermoelectric material is described. Conventionally, since there is no clear development guideline in the material design of this type of thermoelectric material, this development 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.
[0026]
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 / atm)
▲ 2 ▼ Ba6@Si46(6d site, 14 Hedra)
Barium solid solution energy: -92.805 / (eV / atm)
▲ 3 ▼ Ba8@Si46(2a site + 6d site)
Barium solid solution energy: −93.628 / (eV / atm)
[0027]
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.
[0028]
2) Improvement of Seebeck coefficient
Any of group IA, group IIA, group IIIA, group IB, group IIB, group IIIB having 1 to 3 valence electrons as doping atoms in the vacant site of silicon clathrate lattice 1 which is a group IVB atom When 1 to 3 atoms are allowed to enter, 1 to 3 valence electrons therein move to the group IVB atoms constituting the clathrate. Therefore, the silicon clathrate lattice 1 can be made metallic as a whole. Here, when at least a part of Si atoms constituting the silicon clathrate lattice 1 is replaced with any atom of Group IA, Group IIA, Group IIIA, Group IB, Group IIB, or Group IIIB, a semiconductor due to metallic properties It is possible to convert the Seebeck coefficient to a higher level.
[0029]
3) Improvement of electrical conductivity
Since the group IVB atoms constituting the silicon clathrate lattice 1 are semiconductors, the electrical conductivity does not increase with the group IVB atoms alone. Therefore, electrical conductivity is increased by introducing any of the group IA, IIA, IIIA, IB, IIB, or IIIB atoms that have metallic properties into the vacant site of the silicon clathrate basic structural unit. Can be made.
[0030]
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. In addition, the silicon clathrate compound of this embodiment is a p-type thermoelectric material.
[0031]
Next, an example of a method for producing the silicon clathrate compound having the above-described configuration will be described.
When the basic constituent unit of silicon clathrate 46 is used, Si and doping atom powder and atomic powder for substitution of the clathrate basic constituent unit are weighed and mixed so as to have a target composition ratio, and these mixed powders are mixed. Is melted by arc melting to obtain an ingot having the desired composition. The raw material powder used here may be a pure powder or a compound powder of each element, but it is preferable to use a pure powder containing 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.
[0032]
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.
[0033]
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.
A silicon clathrate compound thermoelectric element obtained by heat-pressure sintering can be used as a p-type thermoelectric material.
[0034]
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, and 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.
[0035]
In the above manufacturing method, when Ba is selected as the doping atom and Al is selected as the substitution atom, Ba serves as a nucleus, first attracts Si, and a large number of clusters are generated. It seems to constitute. 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.
[0036]
“Second Embodiment”
FIG. 6 is a schematic diagram of the crystal structure of the silicon clathrate 34 constituting the basic structural unit 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.
[0037]
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 substituted with any atom in the periodic table groups IB, IIB, and IIIB, for example, Al. .
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.
[0038]
“Third Embodiment”
FIG. 8 shows an embodiment of a thermoelectric module constructed using the thermoelectric material of the silicon clathrate compound according to the present invention. The thermoelectric module 30 of this embodiment is an insulating substrate disposed vertically opposite 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 31 and 32, and a pair of adjacent ones. The lower end portions of the thermoelectric elements 33 and 34 are connected by the electrode plate 35, and the upper end portions of other adjacent thermoelectric elements 33 and 34 are connected by the electrode plate 36, and at the same time, adjacent p-type thermoelectric elements The end portions of 33 and the end portions of the n-type thermoelectric elements 34 are alternately connected to each other, and are connected by a plurality of electrode plates 35 and 36 so that all the thermoelectric elements are connected in series. Of the plurality of thermoelectric elements 33 between the upper and lower substrates, the connection wiring 37 is bonded to the thermoelectric element 33 at one end, and the connection wiring 38 is bonded to the thermoelectric element 34 at the other end. Has been configured.
Here, among the thermoelectric elements 33, a p-type element is composed of a thermoelectric material made of the clathrate compound described above. Moreover, as an n-type thermoelectric material, it can select from the conventional material as shown in FIG. 12 which shows the thermoelectric performance index of a conventional material, and can use it suitably.
[0039]
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 continuously heated by another heat source, and the electrode plate 35 side is radiated to generate a potential difference between the connection wirings 37 and 38 so that a current flows. Can be used for thermoelectric power generation.
Further, in the thermoelectric module 30 shown in FIG. 8, the power supply 40 is connected to the connection wirings 37 and 38 as shown in FIG. Therefore, it can be used as a thermoelectric cooler by generating heat on the lower electrode plate 35 side.
[0040]
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. 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. Power generation is performed using the heat of the exhaust gas flowing inside the inner shell 51. It is comprised so that it can perform.
Also in the power generation stack of this embodiment, the thermoelectric module 30 can be used for power generation by configuring the power generation module 52 similarly to the thermoelectric module 30 of the previous embodiment.
[0041]
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 the thermoelectric power, κ is the thermal conductivity, and ρ is the 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).
[0042]
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.
[0043]
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 is shown. 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 not 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.
[0044]
On the other hand, if it is a thermoelectric material according to the present invention, it is possible to provide a p-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.
[0045]
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 is shown. 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.
[0046]
On the other hand, if it is a thermoelectric material according to the present invention, it is possible to provide a p-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.
[0047]
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 known to have a great influence on the performance improvement of the thermoelectric module.
[0048]
【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 Al was Ba: Si: Al = 8: 26: 20, and a mixed powder was prepared by mechanical alloying treatment. This mixed powder is subjected to a preliminary heat treatment of heating to 800 ° C. for 24 hours in an Ar gas atmosphere. Further, after the preliminary heat treatment, the pre-sintered product is pulverized to an average particle size of 100 μm, and this is subjected to a plasma sintering apparatus to 850 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 sintered product,
space group: Pm3m origin at 43m (In the crystallographic analysis, Pm3Usually overlined above 3 of m, but here about overline of 33And a silicon clathrate having a lattice constant of 10.3 46 46 Ba8@ (Si26, Al20) Was confirmed. Moreover, as a result of measuring the figure of merit (ZT) at 700 K of this sintered product, it was confirmed that the value was 1.01 exceeding 1.
[0049]
【The invention's effect】
  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 latticeBa'sSince the atoms are doped, the vibration of the clathrate lattice is suppressed, the thermal conductivity is lowered and the electrical conductivity is improved at the same time, and some of the atoms constituting the clathrate lattice have a valence of 1 to 3AlAs a result of substitution with semiconducting properties, a p-type thermoelectric material with improved Seebeck coefficient can be provided. In the present invention, Si or Ge is selected as the clathrate lattice constituent element, Ba is selected as the doping atom, and Al is selected as the substitution atom, so that the thermal conductivity, electrical conductivity, and Seebeck coefficient are improved in a good balance. be able to.
  In the present invention, the silicon clathrate 46 or the silicon clathrate 34 can be selected as the clathrate lattice.Si 20 Cluster 2a site or Si 24 If the structure is such that Ba doping atoms enter the 6d sites of the cluster, excellent characteristics as a thermoelectric material can be obtained.
  In the present invention, the p-type thermoelectric material described above can provide an excellent value exceeding 1 as a figure of merit (ZT) at 700K.
[0051]
  When producing the 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, electrical conductivity, and Seebeck coefficient are obtained. An excellent thermoelectric material can be obtained.
  In addition, the present inventionHeat ofExcellent value exceeding 1 at 700K as a figure of merit (ZT) due to the manufacturing method of electrical materialsHeatAn electric material can be obtained.
[0052]
Furthermore, if it is the thermoelectric module of this invention, it has low thermal conductivity, electrical conductivity, a good Seebeck coefficient, and can obtain the thermoelectric performance which has the outstanding performance coefficient as demonstrated previously.
[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.20And Si tetrahedral Sitwenty fourFIG.
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.20And Si 16-hedron Si28FIG.
FIG. 8 is a cross-sectional view showing one embodiment of a thermoelectric module configured using the thermoelectric element according to the present invention.
FIG. 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 of causing a thermoelectric reaction, and FIG. 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 a figure of merit of a conventional n-type thermoelectric material.
[Explanation of symbols]
1 ... silicon clathrate lattice, 2 ... Si20Cluster, 3 ... Sitwenty fourCluster, 10 ... silicon clathrate 34, 11 ... Si28Cluster, 30 ... thermoelectric module, 33 ... p-type thermoelectric element, 34 ... n-type thermoelectric element, 37, 38 ... connection wiring, 41, 42 ... electric circuit, 50 ... power generation stack, 52 ... thermoelectric module.

Claims (11)

SiまたはGeを主体として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を主体としてなることを特徴とするp型の熱電材料。A clathrate lattice mainly composed 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 of the atoms constituting the clathrate lattice p-type thermoelectric material characterized by comprising a substituted part Al mainly. 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に記載の熱電材料。The clathrate lattice is a silicon clathrate 46, which is a mixed lattice of Si 20 clusters composed of a dodecahedron of Si atoms and Si 24 clusters 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1に記載の熱電材料。2. The clathrate lattice is a silicon clathrate 34, which is a mixed lattice of Si 20 clusters composed of dodecahedrons of Si atoms and Si 28 clusters composed of 16-sided bodies 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2に記載の熱電材料。 Thermoelectric material according to claim 2, characterized in that the doping atoms of Ba, which are entering the 2a site or Si 24 clusters 6d site of the Si 20 clusters. 性能指数(ZT)が700Kにおいて1を超えることを特徴とする請求項2または4に記載の熱電材料。 Thermoelectric material according to claim 2 or 4 merit (ZT) is equal to or more than 1 in 700K. SiまたはGeを主体として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p型の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p型の熱電材料の製造方法。A clathrate lattice mainly composed 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 of the atoms constituting the clathrate lattice upon manufacturing the part and p-type thermoelectric material comprising mainly a replacement atom has been Al-substituted, by mixing the atom and the doping atoms for constituting the clathrate lattice at a predetermined ratio, the desired after pressure molding into a shape, subjected to a preliminary heat treatment, further p-type thermoelectric material manufacturing method of which is characterized in that sintered by pressure sintering. 前記クラスレート格子を、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とすることを特徴とする請求項6に記載の熱電材料の製造方法。 According to the clathrate lattice, in claim 6, characterized in that the Si 20 clusters of 12 tetrahedral Si atoms, a silicon clathrate 46 is a mixed lattice of Si 24 clusters of 14 tetrahedrons of Si atoms method of manufacturing a thermoelectric material. 前記クラスレート格子を、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とすることを特徴とする請求項6に記載の熱電材料の製造方法。 According to the clathrate lattice, in claim 6, characterized in that the Si 20 clusters of 12 tetrahedral Si atoms, a silicon clathrate 34 is a mixed lattice of Si 28 clusters of 16 tetrahedrons of Si atoms method of manufacturing a 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のドーピング原子を侵入させることを特徴とする請求項7に記載の熱電材料の製造方法。 Thermoelectric material manufacturing method according to claim 7, characterized in that to penetrate the doping atoms of Ba in the 2a site or Si 24 clusters 6d site of the Si 20 clusters. 性能指数(ZT)が700Kにおいて1を超える熱電材料を得ることを特徴とする請求項7または9に記載の熱電材料の製造方法。 Thermoelectric material manufacturing method according to claim 7 or 9 merit (ZT), characterized in that the obtaining thermoelectric material exceeding 1 at 700K. 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p型の熱電素子の構成材料として請求項1〜5のいずれかに記載の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 facing the connection part. Te becomes, the thermoelectric module, wherein the thermoelectric material is applied according to any one of claims 1 to 5 as a constituent material of the p-type thermoelectric elements.
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