JP4415640B2 - Thermoelectric conversion element - Google Patents

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Description

本発明は、熱電変換素子に関し、さらに詳しくは、クラスレート化合物を含有する熱電変換素子に関する。   The present invention relates to a thermoelectric conversion element, and more particularly to a thermoelectric conversion element containing a clathrate compound.

ゼーベック効果を利用した熱電変換素子は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換することを可能とする。その性質を利用し、産業・民生用プロセスや移動体から排出される排熱を有効な電力に変換することができるため、熱電変換素子は、環境問題に配慮した省エネルギー技術として注目されている。   Thermoelectric conversion elements using the Seebeck effect can convert thermal energy into electrical energy. Utilizing this property, it is possible to convert exhaust heat exhausted from industrial / consumer processes and mobile objects into effective electric power, and thermoelectric conversion elements are attracting attention as energy-saving technologies in consideration of environmental problems.

ゼーベック効果を利用した熱電変換素子に用いられる熱電変換材料の性能指数ZTは、下記式(1)で表すことができる。   The figure of merit ZT of the thermoelectric conversion material used for the thermoelectric conversion element utilizing the Seebeck effect can be expressed by the following formula (1).

ZT=α2σT/κ (1) ZT = α 2 σT / κ (1)

ここで、α、σ、κ及びTは、それぞれ、ゼーベック係数、電気伝導率、熱伝導率及び測定温度を表す。   Here, α, σ, κ, and T represent the Seebeck coefficient, electrical conductivity, thermal conductivity, and measurement temperature, respectively.

式(1)から明らかなように、熱電変換素子の性能を向上させるためには、素子に用いられる材料のゼーベック係数、電気伝導率を大きくすること、及び、熱伝導率を小さくすることが重要である。   As is clear from the equation (1), in order to improve the performance of the thermoelectric conversion element, it is important to increase the Seebeck coefficient and the electrical conductivity of the material used for the element, and to decrease the thermal conductivity. It is.

一方、性能指数ZTにおけるZは、有効質量(m*)、移動度(μ)及び熱伝導率(κ)との間に式(2)で表される比例関係を有する。 On the other hand, Z in the figure of merit ZT has a proportional relationship represented by the equation (2) among effective mass (m * ), mobility (μ), and thermal conductivity (κ).

Z∝m*μ/κ (2) Z ∝m * μ / κ (2)

上記式(2)から、Zを向上させるためには有効質量と移動度とを向上させることが重要である。   From the above formula (2), it is important to improve the effective mass and mobility in order to improve Z.

高い性能指数を示す熱電変換素子として、従来より、ビスマス・テルル系材料、シリコン・ゲルマニウム系材料、鉛・テルル系材料などを用いた熱電変換素子が知られている。さらに、アルミニウムをドープした酸化亜鉛粉を成形、焼成してなる熱電変換素子が知られている(例えば、特許文献1参照。)。
特開2002−118296号公報
Conventionally, thermoelectric conversion elements using bismuth / tellurium-based materials, silicon / germanium-based materials, lead / tellurium-based materials, and the like are known as thermoelectric conversion elements exhibiting a high figure of merit. Furthermore, a thermoelectric conversion element formed by molding and baking zinc oxide powder doped with aluminum is known (for example, see Patent Document 1).
JP 2002-118296 A

従来から知られている熱電変換素子では、上述した材料が単独で用いられていた。しかし、熱電変換材料中に含まれるキャリア(電子または正孔(ホール))は熱及び電気を共に伝えることができるため、電気伝導率と熱伝導率とは比例関係にある。さらに、電気伝導率とゼーベック係数とは反比例関係にあることが知られている。そのため、単一の素材で電気伝導率を向上させたとしても、それに伴い熱伝導率の上昇及びゼーベック係数の低下が起きてしまう。また、有効質量と移動度とは反比例関係にあるため、移動度を向上させようとすると有効質量が減少してしまう。したがって、単一素材の改良による性能指数の向上には限界があった。   In the conventionally known thermoelectric conversion element, the above-described materials are used alone. However, since carriers (electrons or holes) contained in the thermoelectric conversion material can transmit both heat and electricity, the electrical conductivity and the thermal conductivity are in a proportional relationship. Furthermore, it is known that electrical conductivity and Seebeck coefficient are inversely related. Therefore, even if the electrical conductivity is improved with a single material, the thermal conductivity increases and the Seebeck coefficient decreases accordingly. In addition, since the effective mass and the mobility are in an inversely proportional relationship, the effective mass is reduced when the mobility is improved. Therefore, there has been a limit to the improvement of the figure of merit by improving the single material.

そこで本願発明は、上記従来の問題を解決し、単一の素材では実現が困難な、優れた性能指数を有する熱電変換素子の提供を目的とする。   SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a thermoelectric conversion element having an excellent figure of merit, which is difficult to realize with a single material, solving the above-described conventional problems.

即ち、本発明は、
> 母材と、前記母材中に分散された微粒子とで構成される熱電変換素子であって、少なくとも、二種類のクラスレート化合物を含有し、前記クラスレート化合物の一種は、電子移動度が100〜5000cm 2 /V・sの第一のクラスレート化合物であり、他の一種は、電子濃度が1.0×10 20 〜1.0×10 22 /cm 3 の第二のクラスレート化合物であり、前記母材は、前記第一のクラスレート化合物を含有し、前記微粒子は、前記第二のクラスレート化合物を含有することを特徴とする熱電変換素子である。
That is, the present invention
< 1 > A thermoelectric conversion element composed of a base material and fine particles dispersed in the base material , containing at least two types of clathrate compounds, wherein one type of the clathrate compound is an electron transfer degrees is the first of clathrate compound of 100~5000cm 2 / V · s, the other one, the second clathrates electron concentration 1.0 × 10 20 ~1.0 × 10 22 / cm 3 a compound, wherein the base material, the contained first clathrate compound, wherein the microparticles are thermoelectric conversion elements you characterized by containing the second clathrate compound.

> 粒子の焼結により形成された多孔体と、前記多孔体の空隙に含浸された充填材とで構成される熱電変換素子であって、少なくとも、二種類のクラスレート化合物を含有し、前記クラスレート化合物の一種は、電子移動度が100〜5000cm 2 /V・sの第一のクラスレート化合物であり、他の一種は、電子濃度が1.0×10 20 〜1.0×10 22 /cm 3 の第二のクラスレート化合物であり、前記粒子は、前記第一のクラスレート化合物を含有し、前記充填材は、前記第二のクラスレート化合物を含有することを特徴とする熱電変換素子である。 < 2 > A thermoelectric conversion element composed of a porous body formed by sintering particles and a filler impregnated in the voids of the porous body , containing at least two types of clathrate compounds, One type of the clathrate compound is a first clathrate compound having an electron mobility of 100 to 5000 cm 2 / V · s, and the other type has an electron concentration of 1.0 × 10 20 to 1.0 × 10. 22 / cm 3 of the second clathrate compound, wherein the particles contain the first clathrate compound , and the filler contains the second clathrate compound . a thermoelectric conversion element you.

> 前記焼結は、放電プラズマ焼結法によることを特徴とする<>に記載の熱電変換素子である。 < 3 > The thermoelectric conversion element according to < 2 >, wherein the sintering is performed by a discharge plasma sintering method.

> 二種類の薄膜が交互に積層された構造を有する熱電変換素子であって、少なくとも、二種類のクラスレート化合物を含有し、前記クラスレート化合物の一種は、電子移動度が100〜5000cm 2 /V・sの第一のクラスレート化合物であり、他の一種は、電子濃度が1.0×10 20 〜1.0×10 22 /cm 3 の第二のクラスレート化合物であり、前記薄膜の一種は、前記第一のクラスレート化合物を含有し、他の一種は、前記第二のクラスレート化合物を含有することを特徴とする熱電変換素子である。 < 4 > A thermoelectric conversion element having a structure in which two kinds of thin films are alternately laminated , and contains at least two kinds of clathrate compounds, and one kind of the clathrate compounds has an electron mobility of 100 to 5000 cm. 2 / V · s is the first clathrate compound, and the other kind is the second clathrate compound having an electron concentration of 1.0 × 10 20 to 1.0 × 10 22 / cm 3 , kind of thin film contains the first clathrate compound, other kind is a thermoelectric conversion element you characterized by containing the second clathrate compound.

> 母材と、前記母材中に分散された微粒子とで構成される熱電変換素子であって、少なくとも、二種類のクラスレート化合物を含有し、前記クラスレート化合物の一種は、ホール移動度が100〜2000cm 2 /V・sの第三のクラスレート化合物であり、他の一種は、ホール濃度が1.0×10 20 〜1.0×10 22 /cm 3 の第四のクラスレート化合物であり、前記母材は、前記第三のクラスレート化合物を含有し、前記微粒子は、前記第四のクラスレート化合物を含有することを特徴とする熱電変換素子である。 < 5 > A thermoelectric conversion element composed of a base material and fine particles dispersed in the base material , containing at least two types of clathrate compounds, wherein one type of the clathrate compound is a hole transfer A third clathrate compound having a degree of 100 to 2000 cm 2 / V · s, and the other kind is a fourth clathrate having a hole concentration of 1.0 × 10 20 to 1.0 × 10 22 / cm 3 a compound, wherein the base material, the contained third clathrate compound, wherein the microparticles are thermoelectric conversion elements you characterized by containing the fourth clathrate compound.

> 粒子の焼結により形成された多孔体と、前記多孔体の空隙に含浸された充填材とで構成される熱電変換素子であって、少なくとも、二種類のクラスレート化合物を含有し、前記クラスレート化合物の一種は、ホール移動度が100〜2000cm 2 /V・sの第三のクラスレート化合物であり、他の一種は、ホール濃度が1.0×10 20 〜1.0×10 22 /cm 3 の第四のクラスレート化合物であり、前記粒子は、前記第三のクラスレート化合物を含有し、前記充填材は、前記第四のクラスレート化合物を含有することを特徴とする熱電変換素子である。 < 6 > A thermoelectric conversion element composed of a porous body formed by sintering particles and a filler impregnated in the voids of the porous body , containing at least two types of clathrate compounds, One type of the clathrate compound is a third clathrate compound having a hole mobility of 100 to 2000 cm 2 / V · s, and the other type has a hole concentration of 1.0 × 10 20 to 1.0 × 10 6. 22 / cm 3 of the fourth clathrate compound, wherein the particles contain the third clathrate compound , and the filler contains the fourth clathrate compound . a thermoelectric conversion element you.

> 前記焼結は、放電プラズマ焼結法によることを特徴とする<>に記載の熱電変換素子である。 < 7 > The thermoelectric conversion element according to < 6 >, wherein the sintering is performed by a discharge plasma sintering method.

> 二種類の薄膜が交互に積層された構造を有する熱電変換素子であって、少なくとも、二種類のクラスレート化合物を含有し、前記クラスレート化合物の一種は、ホール移動度が100〜2000cm 2 /V・sの第三のクラスレート化合物であり、他の一種は、ホール濃度が1.0×10 20 〜1.0×10 22 /cm 3 の第四のクラスレート化合物であり、前記薄膜の一種は、前記第三のクラスレート化合物を含有し、他の一種は、前記第四のクラスレート化合物を含有することを特徴とする熱電変換素子である。 < 8 > A thermoelectric conversion element having a structure in which two kinds of thin films are alternately laminated , and contains at least two kinds of clathrate compounds, and one kind of the clathrate compounds has a hole mobility of 100 to 2000 cm. 2 / V · s is the third clathrate compound, and the other kind is the fourth clathrate compound having a hole concentration of 1.0 × 10 20 to 1.0 × 10 22 / cm 3 , kind of thin film contains the third clathrate compound, other kind is a thermoelectric conversion element you characterized by containing the fourth clathrate compound.

本発明によれば、優れた性能指数を有する熱電変換素子を提供できる。   According to the present invention, a thermoelectric conversion element having an excellent figure of merit can be provided.

以下、本発明の熱電変換素子を、詳細に説明する。
本発明の熱電変換素子は、少なくとも、二種類のクラスレート化合物を含有することを特徴とする。クラスレート化合物は、格子熱伝導率が低いという特徴を有する。よって、熱電変換素子の性能指数を向上させるためには、クラスレート化合物の電気伝導率を高くすることが重要である。本願発明は、少なくとも二種類のクラスレート化合物を併用することにより、電気伝導率の向上を図り、優れた性能指数を有する熱電変換素子を実現した。
なお、本発明において、後述のクラスレート化合物A、クラスレート化合物B、クラスレート化合物C及びクラスレート化合物Dは、各々、上述の第一のクラスレート化合物、第二のクラスレート化合物、第三のクラスレート化合物及び第四のクラスレート化合物を意味する。
Hereinafter, the thermoelectric conversion element of the present invention will be described in detail.
The thermoelectric conversion element of the present invention is characterized by containing at least two types of clathrate compounds. The clathrate compound is characterized by low lattice thermal conductivity. Therefore, in order to improve the figure of merit of the thermoelectric conversion element, it is important to increase the electric conductivity of the clathrate compound. In the present invention, by using at least two types of clathrate compounds in combination, the electrical conductivity is improved and a thermoelectric conversion element having an excellent figure of merit is realized.
In the present invention, the clathrate compound A, the clathrate compound B, the clathrate compound C, and the clathrate compound D described later are respectively the first clathrate compound, the second clathrate compound, and the third clathrate compound. It means a clathrate compound and a fourth clathrate compound.

電気伝導率σは、電荷e、キャリア濃度n及び移動度μを用いて下記式(3)で表すことができる。   The electrical conductivity σ can be expressed by the following formula (3) using the charge e, the carrier concentration n, and the mobility μ.

σ=enμ (3) σ = enμ (3)

しかし、移動度の高い材料は、一般に、キャリア濃度が小さいというトレードオフの関係にある。そこで、本願発明においては、併用されるクラスレート化合物の種類は特に限定されるものではないが、その一方はキャリア濃度の高いクラスレート化合物を用い、他方は、移動度の高いクラスレート化合物を用いることが好ましい。キャリア濃度の高いクラスレート化合物と移動度の高いクラスレート化合物とを併用することにより、電気伝導率の向上を実現できる。   However, a material with high mobility generally has a trade-off relationship that the carrier concentration is small. Therefore, in the present invention, the type of clathrate compound used in combination is not particularly limited, but one of them uses a clathrate compound with a high carrier concentration, and the other uses a clathrate compound with a high mobility. It is preferable. By using a clathrate compound having a high carrier concentration and a clathrate compound having a high mobility, an improvement in electrical conductivity can be realized.

本発明の熱電変換素子は、n型熱電変換素子であってもよいし、p型熱電変換素子であってもよい。n型熱電変換素子の場合、併用されるクラスレート化合物の一種は、電子移動度が100〜5000cm2/V・sのクラスレート化合物Aであり、他の一種は、キャリア濃度(p型熱電変換素子との区別のため、以下、n型熱電変換素子におけるキャリア濃度を電子濃度と称することがある。)が1.0×1020〜1.0×1022/cm3のクラスレート化合物Bであることが好ましい。 The thermoelectric conversion element of the present invention may be an n-type thermoelectric conversion element or a p-type thermoelectric conversion element. In the case of an n-type thermoelectric conversion element, one type of clathrate compound used in combination is clathrate compound A having an electron mobility of 100 to 5000 cm 2 / V · s, and the other type is a carrier concentration (p-type thermoelectric conversion). for distinction between elements, or less, the carrier concentration in the n-type thermoelectric conversion element may be referred to as electron concentration.) in that 1.0 × 10 20 ~1.0 × 10 22 / cm 3 of clathrate compound B Preferably there is.

クラスレート化合物Aの電子移動度が100cm2/V・s未満では、一般的なクラスレート化合物と同等となり、本願発明の効果を奏することが困難となる。また、クラスレート化合物が5000cm2/V・sよりも大きい電子移動度を有することは困難である。クラスレート化合物Aの電子移動度は、500〜4000cm2/V・sがさらに好ましく、特に1000〜3000cm2/V・sが好ましい。 When the electron mobility of the clathrate compound A is less than 100 cm 2 / V · s, it is equivalent to a general clathrate compound, and it is difficult to achieve the effects of the present invention. In addition, it is difficult for the clathrate compound to have an electron mobility larger than 5000 cm 2 / V · s. Electron mobility of the clathrate compound A, 500~4000Cm more preferably 2 / V · s, in particular 1000~3000cm 2 / V · s is preferred.

クラスレート化合物Bの電子濃度が1.0×1020/cm3未満では、一般的なクラスレート化合物と同等となり、本願発明の効果を奏することが困難となる。また、1.0×1022/cm3よりも大きいと、半導体ではなく金属となるため、熱伝導率に対する電子による伝導率の寄与が大きくなり、結果として熱伝導率の上昇を招くため好ましくない。クラスレート化合物Bの電子濃度は、1.0×1020〜1.0×1021/cm3がさらに好ましく、特に1.0×1020〜5.0×1020/cm3が好ましい。 If the electron concentration of the clathrate compound B is less than 1.0 × 10 20 / cm 3, the clathrate compound B is equivalent to a general clathrate compound, and it is difficult to achieve the effects of the present invention. On the other hand, if it is larger than 1.0 × 10 22 / cm 3 , it becomes a metal rather than a semiconductor, so that the contribution of the conductivity by electrons to the thermal conductivity is increased, resulting in an increase in thermal conductivity, which is not preferable. . The electron concentration of the clathrate compound B is more preferably 1.0 × 10 20 to 1.0 × 10 21 / cm 3 , and particularly preferably 1.0 × 10 20 to 5.0 × 10 20 / cm 3 .

本発明に用いることのできるクラスレート化合物Aの具体例としては、Ba8Ga15Si31、Ba8Ga16Si30等が挙げられる。また、クラスレート化合物Bの具体例としては、Ba8Ga15Ge31、Ba8Ga14Sn32、Ba8Ga16Ge30、Ba8Ga15Sn31等が挙げられる。 Specific examples of the clathrate compound A that can be used in the present invention include Ba 8 Ga 15 Si 31 and Ba 8 Ga 16 Si 30 . Specific examples of the clathrate compound B include Ba 8 Ga 15 Ge 31 , Ba 8 Ga 14 Sn 32 , Ba 8 Ga 16 Ge 30 , Ba 8 Ga 15 Sn 31 and the like.

本発明の熱電変換素子がp型熱電変換素子である場合、併用されるクラスレート化合物の一種は、ホール移動度が100〜2000cm2/V・sのクラスレート化合物Cであり、他の一種は、キャリア濃度(n型熱電変換素子との区別のため、以下、p型熱電変換素子におけるキャリア濃度をホール濃度と称することがある。)が1.0×1020〜1.0×1022/cm3のクラスレート化合物Dであることが好ましい。 When the thermoelectric conversion element of the present invention is a p-type thermoelectric conversion element, one type of clathrate compound used in combination is a clathrate compound C having a hole mobility of 100 to 2000 cm 2 / V · s, and the other type is (to distinguish the n-type thermoelectric conversion element, hereinafter, the carrier concentration in the p-type thermoelectric conversion element may be referred to as hole density.) carrier concentration of 1.0 × 10 20 ~1.0 × 10 22 / A clathrate compound D of cm 3 is preferred.

クラスレート化合物Cのホール移動度が100cm2/V・s未満では、一般的なクラスレート化合物と同等となり、本願発明の効果を奏することが困難となる。一方、クラスレート化合物により、2000cm2/V・sよりも大きいホール移動度を実現するのは困難である。クラスレート化合物Cのホール移動度は、500〜2000cm2/V・sがさらに好ましく、特に1000〜2000cm2/V・sが好ましい。 When the hole mobility of the clathrate compound C is less than 100 cm 2 / V · s, it becomes equivalent to a general clathrate compound, and it is difficult to achieve the effects of the present invention. On the other hand, it is difficult to achieve a hole mobility larger than 2000 cm 2 / V · s with a clathrate compound. The hole mobility of the clathrate compound C is more preferably 500 to 2000 cm 2 / V · s, and particularly preferably 1000 to 2000 cm 2 / V · s.

クラスレート化合物Dのホール濃度が1.0×1020/cm3未満では、一般のクラスレート化合物と同等の性能となり、本発明の効果が発現できなくなる。また、ホール濃度が1.0×1022/cm3よりも大きいと、電気伝導率の向上と共に熱伝導率も向上し、熱電変換素子の熱電特性が極端に低下する。クラスレート化合物Dのホール濃度は、1.0×1021〜1.0×1022/cm3がさらに好ましく、特に5.0×1021〜1.0×1022/cm3が好ましい。 When the hole concentration of the clathrate compound D is less than 1.0 × 10 20 / cm 3 , the performance is equivalent to that of a general clathrate compound, and the effect of the present invention cannot be exhibited. On the other hand, if the hole concentration is higher than 1.0 × 10 22 / cm 3 , the electrical conductivity is improved and the thermal conductivity is improved, and the thermoelectric characteristics of the thermoelectric conversion element are extremely lowered. The hole concentration of the clathrate compound D is more preferably 1.0 × 10 21 to 1.0 × 10 22 / cm 3 , and particularly preferably 5.0 × 10 21 to 1.0 × 10 22 / cm 3 .

本発明に用いることのできるクラスレート化合物Cの具体例としては、Ba8Ga18Si28、等が挙げられる。また、クラスレート化合物Dの具体例としては、Ba8Ga18Ge28におけるGaの一部が酸素原子で置換されたBa8Ga18-XXGe28等が挙げられる。ここで、Ba8Ga18-XXGe28におけるXとしては、0.001〜0.1が好ましく、0.001〜0.05がさらに好ましい。 Specific examples of the clathrate compound C that can be used in the present invention include Ba 8 Ga 18 Si 28 and the like. Specific examples of the clathrate compound D include Ba 8 Ga 18-X O x Ge 28 in which a part of Ga in Ba 8 Ga 18 Ge 28 is substituted with an oxygen atom. Here, the X in the Ba 8 Ga 18-X O X Ge 28, preferably from 0.001 to 0.1, more preferably 0.001 to 0.05.

本発明において、クラスレート化合物の移動度(電子移動度及びホール移動度)及びキャリア濃度(電子濃度及びホール濃度)とは、サンプル形状が3×3×0.3mmにおける、Van der Pauw法により測定された値をいう。具体的には、試料に流す電流を3,5,10mAと変化させて電圧を測定し、電流−電圧特性をグラフ化し電流に比例する電圧成分のみを真の値として計算に用いた。また、印加磁界は5T、温度は27±5℃において行った。   In the present invention, the mobility (electron mobility and hole mobility) and carrier concentration (electron concentration and hole concentration) of the clathrate compound are measured by the Van der Pauw method when the sample shape is 3 × 3 × 0.3 mm. Value. Specifically, the voltage was measured by changing the current passed through the sample to 3, 5, and 10 mA, the current-voltage characteristics were graphed, and only the voltage component proportional to the current was used as a true value in the calculation. The applied magnetic field was 5 T, and the temperature was 27 ± 5 ° C.

以下、本発明の熱電変換素子を、図面を用いてさらに詳細に説明する。
<第一の態様>
図1は、本発明に係るn型熱電変換素子の第一の態様を示す概略構成図である。第一の態様のn型熱電変換素子10は、マトリックスを構成する母材12と、母材12中に分散された微粒子14とで構成される。母材12は、クラスレート化合物Aを含有し、微粒子14は、クラスレート化合物Bを含有する。電子濃度の高いクラスレート化合物Bを含有する微粒子14を、電子移動度の高いクラスレート化合物Aを含有する母材12に分散させることにより、n型熱電変換素子10の電子濃度を最適化し、電気伝導率をさらに向上させることができる。その結果として、n型熱電変換素子10の性能指数を向上させることができる。
Hereinafter, the thermoelectric conversion element of the present invention will be described in more detail with reference to the drawings.
<First aspect>
FIG. 1 is a schematic configuration diagram showing a first aspect of an n-type thermoelectric conversion element according to the present invention. The n-type thermoelectric conversion element 10 according to the first aspect includes a base material 12 constituting a matrix and fine particles 14 dispersed in the base material 12. The base material 12 contains a clathrate compound A, and the fine particles 14 contain a clathrate compound B. The fine particles 14 containing the clathrate compound B having a high electron concentration are dispersed in the base material 12 containing the clathrate compound A having a high electron mobility, thereby optimizing the electron concentration of the n-type thermoelectric conversion element 10. The conductivity can be further improved. As a result, the figure of merit of the n-type thermoelectric conversion element 10 can be improved.

また、熱伝導率κは、電子による伝導率κeと、格子熱伝導率κpとを用いて、下記式(4)で表される。 Further, the thermal conductivity κ is expressed by the following formula (4) using the conductivity κ e by electrons and the lattice thermal conductivity κ p .

κ=κe+κp (4) κ = κ e + κ p (4)

n型熱電変換素子10においては、母材12と微粒子14との界面で格子散乱が生じκpが低下するため、熱伝導率κを低下させることができる。その結果として、n型熱電変換素子10の性能指数を向上させることができる。 In the n-type thermoelectric conversion element 10, lattice scattering occurs at the interface between the base material 12 and the fine particles 14 and κ p decreases, so that the thermal conductivity κ can be decreased. As a result, the figure of merit of the n-type thermoelectric conversion element 10 can be improved.

さらに、クラスレート化合物Aとクラスレート化合物Bとを、互いに同一成分を含む材料組成とすることにより、母材12と微粒子14との界面の接合性が向上し、界面での電子の散乱を抑制できるため、電気伝導率をさらに向上させることができるため好ましい。ここで、クラスレート化合物が互いに同一成分を含む材料組成であるとは、各々のクラスレート化合物の組成の一部が重複することをいう。具体的には、例えば、クラスレート化合物AとしてBa8Ga15Si31を用い、クラスレート化合物BとしてBa8Ga15Ge31を用いた場合、組成の一部であるBa及びGaが重複するため、これらのクラスレート化合物は、互いに同一成分を含む材料組成の範ちゅうに含まれる。 Further, by using clathrate compound A and clathrate compound B as material compositions containing the same components, the bondability at the interface between base material 12 and fine particles 14 is improved, and scattering of electrons at the interface is suppressed. This is preferable because the electrical conductivity can be further improved. Here, that the clathrate compound has a material composition containing the same components as each other means that a part of the composition of each clathrate compound overlaps. Specifically, for example, when Ba 8 Ga 15 Si 31 is used as the clathrate compound A and Ba 8 Ga 15 Ge 31 is used as the clathrate compound B, Ba and Ga which are part of the composition overlap. These clathrate compounds are included in the category of material compositions containing the same components.

第一の態様のn型熱電変換素子は、例えば、以下の方法により製造される。
微粒子状に粉砕されたクラスレート化合物Aと、微粒子状に粉砕されたクラスレート化合物Bとを、エタノール等の有機溶剤中に加え、超音波攪拌器等により攪拌して、クラスレート化合物A微粒子とクラスレート化合物B微粒子とを含む分散液を調製する工程と、前記分散液を乾燥させてクラスレート化合物を成形する工程と、前記クラスレート化合物を焼結する工程とを経て第一の態様のn型熱電変換素子は製造される。この場合、クラスレート化合物Aの平均粒径は、10〜100μmが好ましく、10〜70μmがさらに好ましい。クラスレート化合物Bの平均粒径は、100〜1000nmが好ましく、100〜500nmがさらに好ましい。クラスレート化合物Aとクラスレート化合物Bとの調合比は、体積比で95:5〜30:70が好ましく、90:10〜50:50がより好ましい。
The n-type thermoelectric conversion element of the first aspect is manufactured by, for example, the following method.
The clathrate compound A pulverized into fine particles and the clathrate compound B pulverized into fine particles are added to an organic solvent such as ethanol and stirred with an ultrasonic stirrer or the like. The n of the first aspect is prepared through a step of preparing a dispersion containing clathrate compound B fine particles, a step of drying the dispersion to form a clathrate compound, and a step of sintering the clathrate compound. Type thermoelectric conversion elements are manufactured. In this case, the average particle size of the clathrate compound A is preferably 10 to 100 μm, and more preferably 10 to 70 μm. The average particle size of the clathrate compound B is preferably 100 to 1000 nm, and more preferably 100 to 500 nm. The mixing ratio of clathrate compound A and clathrate compound B is preferably 95: 5 to 30:70, and more preferably 90:10 to 50:50, by volume.

クラスレート化合物を成形する工程と焼結する工程とは、加圧成形と焼結とを別々に行ってもよいが、加圧成形しながら焼結することが好ましい。加圧成形しながら焼結する方法としては、ホットプレス焼結法、熱間等方圧加圧焼結法、放電プラズマ焼結法等の何れの方法を用いることもできる。この中でも、放電プラズマ焼結法が好ましい。放電プラズマ焼結法における焼結温度は、600〜900℃が好ましく、650〜850℃がより好ましい。焼結時間は、30〜90分が好ましく、40〜60分がより好ましい。加圧時の圧力は20〜50MPaが好ましく、25〜45MPaがより好ましい。   In the step of molding the clathrate compound and the step of sintering, pressure molding and sintering may be performed separately, but sintering is preferably performed while pressure molding. As a method of sintering while pressure forming, any method such as a hot press sintering method, a hot isostatic pressure sintering method, a discharge plasma sintering method, or the like can be used. Among these, the discharge plasma sintering method is preferable. The sintering temperature in the discharge plasma sintering method is preferably 600 to 900 ° C, more preferably 650 to 850 ° C. The sintering time is preferably 30 to 90 minutes, and more preferably 40 to 60 minutes. The pressure at the time of pressurization is preferably 20 to 50 MPa, and more preferably 25 to 45 MPa.

<第二の態様>
図2は、本発明に係るn型熱電変換素子の第二の態様を示す概略構成図である。第二の態様のn型熱電変換素子20は、粒子の焼結により形成された多孔体22と、多孔体22の空隙に含浸された充填材24とで構成される。多孔体22を形成する粒子は、クラスレート化合物Aを含有し、充填材24は、クラスレート化合物Bを含有する。電子移動度の高いクラスレート化合物Aを含有する粒子から形成された多孔体22の空隙に電子濃度の高いクラスレート化合物Bを含有する充填材24を充填することにより、ゼーベック係数が向上する。これは、多孔体22の空隙に含浸したクラスレート化合物Bが、ナノワイヤーに近い構造となるため、n型熱電変換素子20が超格子の特性を発現するためと推測される。
<Second aspect>
FIG. 2 is a schematic configuration diagram showing a second aspect of the n-type thermoelectric conversion element according to the present invention. The n-type thermoelectric conversion element 20 according to the second embodiment includes a porous body 22 formed by sintering particles and a filler 24 impregnated in the voids of the porous body 22. The particles forming the porous body 22 contain the clathrate compound A, and the filler 24 contains the clathrate compound B. By filling the voids of the porous body 22 formed of particles containing the clathrate compound A having a high electron mobility with the filler 24 containing the clathrate compound B having a high electron concentration, the Seebeck coefficient is improved. This is presumably because the clathrate compound B impregnated in the voids of the porous body 22 has a structure close to nanowires, and thus the n-type thermoelectric conversion element 20 exhibits superlattice characteristics.

第二の態様のn型熱電変換素子は、例えば、以下の方法により製造される。
粒子状のクラスレート化合物Aを焼結し、多孔体22を形成する工程と、クラスレート化合物Bを多孔体22の空隙に含浸させる工程とを経て第二の態様のn型熱電変換素子は製造される。この場合、クラスレート化合物Aの融点は、クラスレート化合物Bの融点よりも高いことが好ましい。クラスレート化合物Bを多孔体22の空隙に含浸させる方法としては、例えば、溶融したクラスレート化合物B中に多孔体22を浸す方法が挙げられる。多孔体22を形成する粒子の平均粒径は、10〜100μmが好ましく、20〜75μmがさらに好ましい。
The n-type thermoelectric conversion element of the second aspect is manufactured by the following method, for example.
The n-type thermoelectric conversion element of the second embodiment is manufactured through a step of sintering the particulate clathrate compound A to form the porous body 22 and a step of impregnating the clathrate compound B into the voids of the porous body 22. Is done. In this case, the melting point of clathrate compound A is preferably higher than the melting point of clathrate compound B. Examples of the method of impregnating the clathrate compound B in the voids of the porous body 22 include a method of immersing the porous body 22 in the molten clathrate compound B. 10-100 micrometers is preferable and, as for the average particle diameter of the particle | grains which form the porous body 22, 20-75 micrometers is more preferable.

粒子の焼結方法としては、ホットプレス焼結法、熱間等方圧加圧焼結法、放電プラズマ焼結法等の何れの方法を用いることもできる。この中でも、放電プラズマ焼結法が好ましい。多孔体22を放電プラズマ焼結法で作製することにより、さらなる電気伝導率の向上が達成可能となる。これは、粒子同士が固相反応により焼結され、電子の粒界散乱が抑制できるためと推測される。   As the particle sintering method, any method such as a hot press sintering method, a hot isostatic pressing method, a discharge plasma sintering method, or the like can be used. Among these, the discharge plasma sintering method is preferable. By making the porous body 22 by the discharge plasma sintering method, it is possible to further improve the electrical conductivity. This is presumed to be because the particles are sintered by a solid-phase reaction, and scattering of electron grain boundaries can be suppressed.

<第三の態様>
図3は、本発明に係るn型熱電変換素子の第三の態様を示す概略構成図である。第三の態様のn型熱電変換素子30は、クラスレート化合物Aを含有する薄膜32と、クラスレート化合物Bを含有する薄膜34とが交互に積層された構造を有する。薄膜を交互に積層することにより、電子濃度を向上した状態で電子移動度を向上させることができる。また、ゼーベック係数を向上させることができる。これは、薄膜32と薄膜34とを交互に積層することにより、超格子構造が形成されるためと推測される。
<Third aspect>
FIG. 3 is a schematic configuration diagram showing a third aspect of the n-type thermoelectric conversion element according to the present invention. The n-type thermoelectric conversion element 30 of the third embodiment has a structure in which thin films 32 containing the clathrate compound A and thin films 34 containing the clathrate compound B are alternately stacked. By alternately laminating thin films, the electron mobility can be improved while the electron concentration is improved. In addition, the Seebeck coefficient can be improved. This is presumably because a superlattice structure is formed by alternately laminating thin films 32 and thin films 34.

薄膜の形成方法としては、真空蒸着法、スパッタ法等の方法を用いることができるが、スパッタ法を用いることにより、ターゲットと同等の組成比を有する薄膜を容易に形成することが可能となるため好ましい。薄膜の膜厚は、10nm〜100nmが好ましく、10nm〜50nmがさらに好ましい。膜厚を10nm〜100nmにすることにより、ゼーベック係数を向上させることができる。薄膜の積層数は、102〜106層が好ましく、103〜106層がさらに好ましい。 As a method for forming the thin film, a method such as a vacuum evaporation method or a sputtering method can be used. However, by using the sputtering method, a thin film having the same composition ratio as the target can be easily formed. preferable. The thickness of the thin film is preferably 10 nm to 100 nm, and more preferably 10 nm to 50 nm. By making the film thickness 10 nm to 100 nm, the Seebeck coefficient can be improved. Number of stacked films is preferably 10 2 to 10 6 layers, more preferably 10 3 to 10 6 layers.

なお、上述のごとく本発明の熱電変換素子の具体的態様を、n型熱電変換素子を例に図面を用いて説明したが、クラスレート化合物Aをクラスレート化合物Cに、クラスレート化合物Bをクラスレート化合物Dに置き換えることにより、p型熱電変換素子を得ることが可能である。   As described above, the specific embodiment of the thermoelectric conversion element of the present invention has been described using the n-type thermoelectric conversion element as an example, but the clathrate compound A is the clathrate compound C and the clathrate compound B is the class. By replacing with the rate compound D, a p-type thermoelectric conversion element can be obtained.

また、本発明の熱電変換素子は、耐熱性が高く、高温用熱電変換素子として使用可能である。   Moreover, the thermoelectric conversion element of this invention has high heat resistance, and can be used as a high-temperature thermoelectric conversion element.

以下、本発明の熱電変換素子を実施例を用いて具体的に説明する。ただし、本願発明は、下記実施例により何ら限定されるものではない。   Hereafter, the thermoelectric conversion element of this invention is demonstrated concretely using an Example. However, the present invention is not limited to the following examples.

[実施例1]
原材料として、Ba(99.99%)、Ga(99.999%)、Ge(99.9999%)、Si(99.9999%)を用い、アルゴン雰囲気のグローブボックス内で所望のモル比に秤量し、アーク溶解により、クラスレート化合物BとしてBa8Ga15Ge31を、クラスレート化合物AとしてBa8Ga15Si31を合成した。3×3×0.3mmの形状のBa8Ga15Ge31及びBa8Ga15Si31を作製し、室温においてVan der Pauw法を用いて電子濃度及び電子移動度を測定したところ、Ba8Ga15Ge31の電子濃度は1.0×1022/cm3、電子移動度は1.1cm2/V・sであり、Ba8Ga15Si31の電子濃度は1.0×1019/cm3、電子移動度は250cm2/V・sであった。
[Example 1]
Ba (99.99%), Ga (99.999%), Ge (99.9999%), Si (99.9999%) are used as raw materials and weighed to a desired molar ratio in a glove box under an argon atmosphere. Then, Ba 8 Ga 15 Ge 31 as the clathrate compound B and Ba 8 Ga 15 Si 31 as the clathrate compound A were synthesized by arc melting. The 3 × 3 × Ba 8 Ga 15 Ge 31 and Ba 8 Ga 15 Si 31 in the shape of 0.3mm was prepared, it was subject to electron density and electron mobility with Van der Pauw method at room temperature, Ba 8 Ga The electron concentration of 15 Ge 31 is 1.0 × 10 22 / cm 3 , the electron mobility is 1.1 cm 2 / V · s, and the electron concentration of Ba 8 Ga 15 Si 31 is 1.0 × 10 19 / cm. 3. Electron mobility was 250 cm 2 / V · s.

Ba8Ga15Ge31を平均粒径50nmに、Ba8Ga15Si31を平均粒径50μmに粉砕し、これら2種類の粒子をエタノール中で超音波攪拌した。Ba8Ga15Ge31とBa8Ga15Si31との調合比は、体積比で1:1であった。 Ba 8 Ga 15 Ge 31 was pulverized to an average particle diameter of 50 nm and Ba 8 Ga 15 Si 31 was pulverized to an average particle diameter of 50 μm, and these two kinds of particles were ultrasonically stirred in ethanol. The preparation ratio of Ba 8 Ga 15 Ge 31 and Ba 8 Ga 15 Si 31 was 1: 1 by volume.

乾燥後、放電プラズマ焼結を行い、Ba8Ga15Si31を含有する母材と、前記母材中に分散されたBa8Ga15Ge31を含有する微粒子とで構成される本発明に係る第一の態様のn型熱電変換素子Aを得た。放電プラズマ焼結の条件は、圧力50MPa、温度800℃、時間60分であった。得られたn型熱電変換素子Aの電気伝導率の値を図4(△)に示し、性能指数(ZT)の値を図5(△)に示す。 After drying, discharge plasma sintering is performed, and the present invention is composed of a base material containing Ba 8 Ga 15 Si 31 and fine particles containing Ba 8 Ga 15 Ge 31 dispersed in the base material. An n-type thermoelectric conversion element A of the first aspect was obtained. The conditions of the discharge plasma sintering were a pressure of 50 MPa, a temperature of 800 ° C., and a time of 60 minutes. The electric conductivity value of the obtained n-type thermoelectric conversion element A is shown in FIG. 4 (Δ), and the figure of merit (ZT) is shown in FIG. 5 (Δ).

また、Ba8Ga15Ge31及びBa8Ga15Si31を共に平均粒径50μmに粉砕したものを用いてn型熱電変換素子Aと同様の方法でn型熱電変換素子Bを得た。n型熱電変換素子BにおけるBa8Ga15Ge31とBa8Ga15Si31との調合比は、体積比で1:1であった。得られたn型熱電変換素子Bの電気伝導率の値を図4(●)に示し、性能指数(ZT)の値を図5(●)に示す。 In addition, an n-type thermoelectric conversion element B was obtained in the same manner as the n-type thermoelectric conversion element A by using both Ba 8 Ga 15 Ge 31 and Ba 8 Ga 15 Si 31 ground to an average particle size of 50 μm. Formulation ratio of Ba 8 Ga 15 Ge 31 and Ba 8 Ga 15 Si 31 in the n-type thermoelectric conversion elements B is 1 volume ratio: 1. The electric conductivity value of the obtained n-type thermoelectric conversion element B is shown in FIG. 4 (●), and the figure of merit (ZT) is shown in FIG. 5 (●).

比較例として、Ba8Ga15Si31のみからなるn型熱電変換素子Cの値を図4(□)に示す。n型熱電変換素子Cの性能指数(ZT)は、1.0(T=500℃)であった。 As a comparative example, the value of an n-type thermoelectric conversion element C made only of Ba 8 Ga 15 Si 31 is shown in FIG. The figure of merit (ZT) of the n-type thermoelectric conversion element C was 1.0 (T = 500 ° C.).

なお、電気伝導率は四端子法により測定した。性能指数(ZT)は、ゼーベック係数、電気伝導率及び熱伝導率とを用いて算出した。ゼーベック係数は、熱電変換素子の一部を切り出した試料片に熱電対線を取り付け、昇温炉中で試料片に温度差を設けて、この際に発生する熱起電力を測定することにより求めた。また、熱伝導率は、体積法により測定された密度と、DSC法により測定された比熱と、レーザーフラッシュ法により測定された熱拡散率とを掛け合わすことにより算出した。   The electrical conductivity was measured by the four probe method. The figure of merit (ZT) was calculated using the Seebeck coefficient, electrical conductivity, and thermal conductivity. The Seebeck coefficient is obtained by attaching a thermocouple wire to a sample piece from which a part of the thermoelectric conversion element is cut out, providing a temperature difference in the sample piece in a heating furnace, and measuring the thermoelectromotive force generated at this time. It was. The thermal conductivity was calculated by multiplying the density measured by the volume method, the specific heat measured by the DSC method, and the thermal diffusivity measured by the laser flash method.

[実施例2]
原材料として、Ba(99.99%)、Ga(99.999%)、Ge(99.9999%)、Si(99.9999%)を用い、アルゴン雰囲気のグローブボックス内で所望のモル比に秤量し、アーク溶解により、クラスレート化合物DとしてBa8Ga18-xxGe28(0.03≦x≦0.05)を、クラスレート化合物CとしてBa8Ga18Si28を合成した。実施例1における電子移動度及び電子濃度の測定方法と同様の方法によりホール濃度及びホール移動度を測定したところ、Ba8Ga18-xxGe28(0.03≦x≦0.05)のホール濃度は5.0×1021/cm3、ホール移動度は13cm2/V・sであり、Ba8Ga18Si28のホール濃度は3.2×1017/cm3、ホール移動度は1300cm2/V・sであった。
[Example 2]
Ba (99.99%), Ga (99.999%), Ge (99.9999%), Si (99.9999%) are used as raw materials and weighed to a desired molar ratio in a glove box under an argon atmosphere. Then, Ba 8 Ga 18-x O x Ge 28 (0.03 ≦ x ≦ 0.05) was synthesized as clathrate compound D and Ba 8 Ga 18 Si 28 was synthesized as clathrate compound C by arc melting. When the hole concentration and hole mobility were measured by the same method as the method for measuring electron mobility and electron concentration in Example 1, Ba 8 Ga 18-x O x Ge 28 (0.03 ≦ x ≦ 0.05) was measured. Has a hole concentration of 5.0 × 10 21 / cm 3 and a hole mobility of 13 cm 2 / V · s. Ba 8 Ga 18 Si 28 has a hole concentration of 3.2 × 10 17 / cm 3 and a hole mobility. Was 1300 cm 2 / V · s.

Ba8Ga18-xxGe28(0.03≦x≦0.05)を平均粒径50nmに、Ba8Ga18Si28を平均粒径70μmに粉砕し、これら2種類の粒子をエタノール中で超音波攪拌した。Ba8Ga18-xxGe28(0.03≦x≦0.05)とBa8Ga18Si28との調合比は、体積比で1:1であった。 Ba 8 Ga 18-x O x Ge 28 (0.03 ≦ x ≦ 0.05) was pulverized to an average particle size of 50 nm and Ba 8 Ga 18 Si 28 was pulverized to an average particle size of 70 μm. Ultrasonic stirring in. The mixing ratio of Ba 8 Ga 18-x O x Ge 28 (0.03 ≦ x ≦ 0.05) and Ba 8 Ga 18 Si 28 was 1: 1 by volume ratio.

乾燥後、放電プラズマ焼結を行い、Ba8Ga18Si28を含有する母材と、前記母材中に分散されたBa8Ga18-xxGe28(0.03≦x≦0.05)を含有する微粒子とで構成される本発明に係る第一の態様のp型熱電変換素子Dを得た。放電プラズマ焼結の条件は、圧力50MPa、温度800℃、時間60分であった。得られたp型熱電変換素子Dの電気伝導率の値を図6(△)に示す。 After drying, spark plasma sintering is performed, and a base material containing Ba 8 Ga 18 Si 28 and Ba 8 Ga 18-x O x Ge 28 (0.03 ≦ x ≦ 0. The p-type thermoelectric conversion element D according to the first aspect of the present invention, which is composed of fine particles containing (05), was obtained. The conditions of the discharge plasma sintering were a pressure of 50 MPa, a temperature of 800 ° C., and a time of 60 minutes. The electric conductivity value of the obtained p-type thermoelectric conversion element D is shown in FIG.

また、Ba8Ga18-xxGe28(0.03≦x≦0.05)及びBa8Ga18Si28を共に平均粒径50μmに粉砕したものを用いてp型熱電変換素子Dと同様にしてp型熱電変換素子Eを得た。p型熱電変換素子EにおけるBa8Ga18-xxGe28(0.03≦x≦0.05)とBa8Ga18Si28との調合比は、体積比で1:1であった。得られたp型熱電変換素子Eの電気伝導率の値を図6(●)に示す。
なお、電気伝導率は、実施例1と同様にして測定した。
In addition, Ba 8 Ga 18-x O x Ge 28 (0.03 ≦ x ≦ 0.05) and Ba 8 Ga 18 Si 28 are both pulverized to an average particle size of 50 μm, and a p-type thermoelectric conversion element D is used. Similarly, a p-type thermoelectric conversion element E was obtained. The mixing ratio of Ba 8 Ga 18-x O x Ge 28 (0.03 ≦ x ≦ 0.05) and Ba 8 Ga 18 Si 28 in the p-type thermoelectric conversion element E was 1: 1 by volume. . The electric conductivity value of the obtained p-type thermoelectric conversion element E is shown in FIG.
The electrical conductivity was measured in the same manner as in Example 1.

[実施例3]
原材料として、Ba(99.99%)、Ga(99.999%)、Sn(99.9999%)、Si(99.9999%)を用い、アルゴン雰囲気のグローブボックス中で所望のモル比に秤量し、アーク溶解により、クラスレート化合物BとしてBa8Ga14Sn32を、クラスレート化合物AとしてBa8Ga15Si31を合成した。実施例1と同様にして電子濃度及び電子移動度を測定したところ、Ba8Ga14Sn32の電子濃度は1.0×1021/cm3、電子移動度は16cm2/V・sであり、Ba8Ga15Si31の電子濃度は1.0×1019/cm3、電子移動度は250cm2/V・sであった。
[Example 3]
Ba (99.99%), Ga (99.999%), Sn (99.9999%), Si (99.9999%) are used as raw materials and weighed to a desired molar ratio in a glove box under an argon atmosphere. Then, Ba 8 Ga 14 Sn 32 was synthesized as clathrate compound B, and Ba 8 Ga 15 Si 31 was synthesized as clathrate compound A by arc melting. When the electron concentration and the electron mobility were measured in the same manner as in Example 1, the electron concentration of Ba 8 Ga 14 Sn 32 was 1.0 × 10 21 / cm 3 and the electron mobility was 16 cm 2 / V · s. , Ba 8 Ga 15 Si 31 had an electron concentration of 1.0 × 10 19 / cm 3 and an electron mobility of 250 cm 2 / V · s.

Ba8Ga15Si31を平均粒径0.1μmに粉砕し、ホットプレス(1000℃、50MPa)で焼結し、Ba8Ga15Si31を含有する粒子の焼結により形成された多孔体を作製した。Ba8Ga14Sn32の融点(約400℃)は、Ba8Ga15Si31の融点(約900℃)よりも低いため、550℃でBa8Ga14Sn32を溶融させた中に、多孔体を浸して、多孔体の空隙にBa8Ga14Sn32を含浸させることにより本発明に係る第二の態様のn型熱電変換素子Fを得た。得られたn型熱電変換素子Fのゼーベック係数の値(△)を図7に示す。なお、ゼーベック係数は、上述の方法により求めた。 A porous body formed by pulverizing Ba 8 Ga 15 Si 31 to an average particle size of 0.1 μm, sintering it with a hot press (1000 ° C., 50 MPa), and sintering particles containing Ba 8 Ga 15 Si 31. Produced. Since the melting point of Ba 8 Ga 14 Sn 32 (about 400 ° C.) is lower than the melting point of Ba 8 Ga 15 Si 31 (about 900 ° C.), the Ba 8 Ga 14 Sn 32 was melted at 550 ° C. soaking the body to give the n-type thermoelectric conversion elements F of the second aspect of the present invention by impregnating the Ba 8 Ga 14 Sn 32 in the voids of the porous body. The value (Δ) of the Seebeck coefficient of the obtained n-type thermoelectric conversion element F is shown in FIG. Note that the Seebeck coefficient was determined by the method described above.

また、Ba8Ga15Si31及びBa8Ga14Sn32を共に平均粒径50μmに粉砕したものを用いてn型熱電変換素子Aと同様の方法でn型熱電変換素子Gを得た。n型熱電変換素子GにおけるBa8Ga15Si31とBa8Ga14Sn32との調合比は、体積比で1:1であった。得られたn型熱電変換素子Gのゼーベック係数の値(●)を図7に示す。 In addition, an n-type thermoelectric conversion element G was obtained in the same manner as the n-type thermoelectric conversion element A by using both Ba 8 Ga 15 Si 31 and Ba 8 Ga 14 Sn 32 ground to an average particle size of 50 μm. Formulation ratio of Ba 8 Ga 15 Si 31 and Ba 8 Ga 14 Sn 32 in the n-type thermoelectric conversion element G is 1 volume ratio: 1. The value (●) of the Seebeck coefficient of the obtained n-type thermoelectric conversion element G is shown in FIG.

図7から明らかなように、本発明に係る第二の態様のn型熱電変換素子Fは、n型熱電変換素子Gよりもゼーベック係数が向上した。これは、多孔体の空隙に含浸したBa8Ga14Sn32が、ナノワイヤーに近い状態となり、量子効果によってバンド構造が変化したためであると推測される。 As is clear from FIG. 7, the n-type thermoelectric conversion element F according to the second aspect of the present invention has a higher Seebeck coefficient than the n-type thermoelectric conversion element G. This is presumably because Ba 8 Ga 14 Sn 32 impregnated in the voids of the porous body is in a state close to nanowires and the band structure has changed due to the quantum effect.

[実施例4] [Example 4]

n型熱電変換素子FにおけるBa8Ga15Si31の焼結方法を、放電プラズマ焼結法(700℃、40MPa、30分)に変更した以外は同様にして、本発明に係る第二の態様のn型熱電変換素子Hを作製した。得られたn型熱電変換素子Hの電気伝導率の値(△)を、n型熱電変換素子Fの電気伝導率の値(●)と共に図8に示す。 sintering method Ba 8 Ga 15 Si 31 in the n-type thermoelectric conversion elements F, spark plasma sintering (700 ° C., 40 MPa, 30 minutes) was changed to the same manner, a second embodiment according to the present invention N-type thermoelectric conversion element H was prepared. FIG. 8 shows the electric conductivity value (Δ) of the obtained n-type thermoelectric conversion element H together with the electric conductivity value (●) of the n-type thermoelectric conversion element F.

図8から明らかなように、多孔体を放電プラズマ焼結法を用いて作製することにより、電気伝導率が向上した。これは、放電プラズマ焼結によって、多孔体を形成する粒子同士が固相反応により焼結され、電子の粒界散乱が抑制されるため電気伝導率が向上したものと推測される。   As is apparent from FIG. 8, the electrical conductivity was improved by producing the porous body using the discharge plasma sintering method. This is presumed that the electric conductivity was improved because the particles forming the porous body were sintered by the solid-phase reaction by the discharge plasma sintering, and the electron grain boundary scattering was suppressed.

[実施例5]
n型熱電変換素子Aと同様の方法によりクラスレート化合物BとしてBa8Ga15Ge31を、クラスレート化合物AとしてBa8Ga15Si31を合成した。Ba8Ga15Ge31とBa8Ga15Si31とをそれぞれ平均粒径50μmに粉砕し、放電プラズマ焼結した。放電プラズマ焼結は、圧力50MPa、温度800℃、時間60分で行った。Ba8Ga15Si31とBa8Ga15Ge31とをターゲットとして、スパッタ装置を用いて交互に積層し、本発明に係る第三の態様のn型熱電変換素子Iを作製した。この場合のBa8Ga15Si31の膜厚は30nm、Ba8Ga15Ge31の膜厚は50nmであり、各100層積層させた。n型熱電変換素子Iのゼーベック係数は、350V/mK(T=600℃)であった。Ba8Ga15Si31及びBa8Ga15Ge31各々のゼーベック係数は、250V/mK(T=600℃)であり、積層することにより、ゼーベック係数が向上することが明らかとなった。これは、Ba8Ga15Si31とBa8Ga15Ge31とを積層することにより、超格子構造が形成され、量子効果が生じているためであると考えられる。
[Example 5]
The Ba 8 Ga 15 Ge 31 as clathrate compound B in the same manner as n-type thermoelectric conversion elements A, was synthesized Ba 8 Ga 15 Si 31 as clathrate compound A. Ba 8 Ga 15 Ge 31 and Ba 8 Ga 15 Si 31 were each pulverized to an average particle size of 50 μm and sintered by discharge plasma. The spark plasma sintering was performed at a pressure of 50 MPa, a temperature of 800 ° C., and a time of 60 minutes. Using the Ba 8 Ga 15 Si 31 and Ba 8 Ga 15 Ge 31 as targets, the layers were alternately stacked using a sputtering apparatus, and the n-type thermoelectric conversion element I according to the third aspect of the present invention was fabricated. In this case, the film thickness of Ba 8 Ga 15 Si 31 was 30 nm and the film thickness of Ba 8 Ga 15 Ge 31 was 50 nm, and 100 layers each were laminated. The Seebeck coefficient of the n-type thermoelectric conversion element I was 350 V / mK (T = 600 ° C.). The Seebeck coefficient of each of Ba 8 Ga 15 Si 31 and Ba 8 Ga 15 Ge 31 is 250 V / mK (T = 600 ° C.), and it was revealed that the Seebeck coefficient is improved by stacking. This is considered to be because a superlattice structure is formed by laminating Ba 8 Ga 15 Si 31 and Ba 8 Ga 15 Ge 31 and a quantum effect is generated.

本発明に係るn型熱電変換素子の第一の態様を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the 1st aspect of the n-type thermoelectric conversion element which concerns on this invention. 本発明に係るn型熱電変換素子の第二の態様を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the 2nd aspect of the n-type thermoelectric conversion element which concerns on this invention. 本発明に係るn型熱電変換素子の第三の態様を示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows the 3rd aspect of the n-type thermoelectric conversion element which concerns on this invention. n型熱電変換素子A、B及びCの電気伝導率の値を示した図である。It is the figure which showed the value of the electrical conductivity of the n-type thermoelectric conversion elements A, B, and C. n型熱電変換素子A及びBの性能指数(ZT)の値を示した図である。It is the figure which showed the value of the figure of merit (ZT) of the n-type thermoelectric conversion elements A and B. p型熱電変換素子D及びEの電気伝導率の値を示した図である。It is the figure which showed the value of the electrical conductivity of the p-type thermoelectric conversion elements D and E. n型熱電変換素子F及びGのゼーベック係数の値を示した図である。It is the figure which showed the value of the Seebeck coefficient of the n-type thermoelectric conversion elements F and G. n型熱電変換素子F及びHの電気伝導率の値を示した図である。It is the figure which showed the value of the electrical conductivity of the n-type thermoelectric conversion elements F and H.

符号の説明Explanation of symbols

10 熱電変換素子(第一の態様)
12 母材
14 微粒子
20 熱電変換素子(第二の態様)
22 多孔体
24 充填材
30 熱電変換素子(第三の態様)
32 クラスレート化合物Aを含有する薄膜
34 クラスレート化合物Bを含有する薄膜
10. Thermoelectric conversion element (first aspect)
12 Base material 14 Fine particle 20 Thermoelectric conversion element (second embodiment)
22 Porous body 24 Filler 30 Thermoelectric conversion element (third aspect)
32 Thin Film Containing Clathrate Compound A 34 Thin Film Containing Clathrate Compound B

Claims (8)

母材と、前記母材中に分散された微粒子とで構成される熱電変換素子であって、
少なくとも、二種類のクラスレート化合物を含有し、前記クラスレート化合物の一種は、電子移動度が100〜5000cm 2 /V・sの第一のクラスレート化合物であり、他の一種は、電子濃度が1.0×10 20 〜1.0×10 22 /cm 3 の第二のクラスレート化合物であり、
前記母材は、前記第一のクラスレート化合物を含有し、前記微粒子は、前記第二のクラスレート化合物を含有することを特徴とする熱電変換素子。
A thermoelectric conversion element composed of a base material and fine particles dispersed in the base material,
At least, contain two types of clathrate compounds, one of the clathrate compound is a first clathrate compound in an electron mobility 100~5000cm 2 / V · s, the other kind, the electron concentration A second clathrate compound of 1.0 × 10 20 to 1.0 × 10 22 / cm 3 ,
The base material, the second contains an clathrate compound, the fine particles, the second clathrate compound thermoelectric conversion elements you characterized by containing.
粒子の焼結により形成された多孔体と、前記多孔体の空隙に含浸された充填材とで構成される熱電変換素子であって、
少なくとも、二種類のクラスレート化合物を含有し、前記クラスレート化合物の一種は、電子移動度が100〜5000cm 2 /V・sの第一のクラスレート化合物であり、他の一種は、電子濃度が1.0×10 20 〜1.0×10 22 /cm 3 の第二のクラスレート化合物であり、
前記粒子は、前記第一のクラスレート化合物を含有し、前記充填材は、前記第二のクラスレート化合物を含有することを特徴とする熱電変換素子。
A thermoelectric conversion element composed of a porous body formed by sintering particles and a filler impregnated in the voids of the porous body,
At least two kinds of clathrate compounds are contained, and one kind of the clathrate compounds is a first clathrate compound having an electron mobility of 100 to 5000 cm 2 / V · s, and the other kind has an electron concentration. A second clathrate compound of 1.0 × 10 20 to 1.0 × 10 22 / cm 3 ,
The particles, the first containing one clathrate compound, the filler, the second thermoelectric conversion element you characterized by containing a clathrate compound.
前記焼結は、放電プラズマ焼結法によることを特徴とする請求項に記載の熱電変換素子。 The thermoelectric conversion element according to claim 2 , wherein the sintering is performed by a discharge plasma sintering method. 二種類の薄膜が交互に積層された構造を有する熱電変換素子であって、
少なくとも、二種類のクラスレート化合物を含有し、前記クラスレート化合物の一種は、電子移動度が100〜5000cm 2 /V・sの第一のクラスレート化合物であり、他の一種は、電子濃度が1.0×10 20 〜1.0×10 22 /cm 3 の第二のクラスレート化合物であり、
前記薄膜の一種は、前記第一のクラスレート化合物を含有し、他の一種は、前記第二のクラスレート化合物を含有することを特徴とする熱電変換素子。
A thermoelectric conversion element having a structure in which two types of thin films are alternately laminated,
At least two kinds of clathrate compounds are contained, and one kind of the clathrate compounds is a first clathrate compound having an electron mobility of 100 to 5000 cm 2 / V · s, and the other kind has an electron concentration. A second clathrate compound of 1.0 × 10 20 to 1.0 × 10 22 / cm 3 ,
One of the thin film, the second contains an clathrate compound, other kind, said second clathrate compound thermoelectric conversion elements you characterized by containing.
母材と、前記母材中に分散された微粒子とで構成される熱電変換素子であって、
少なくとも、二種類のクラスレート化合物を含有し、前記クラスレート化合物の一種は、ホール移動度が100〜2000cm 2 /V・sの第三のクラスレート化合物であり、他の一種は、ホール濃度が1.0×10 20 〜1.0×10 22 /cm 3 の第四のクラスレート化合物であり、
前記母材は、前記第三のクラスレート化合物を含有し、前記微粒子は、前記第四のクラスレート化合物を含有することを特徴とする熱電変換素子。
A thermoelectric conversion element composed of a base material and fine particles dispersed in the base material,
At least two kinds of clathrate compounds are contained, and one of the clathrate compounds is a third clathrate compound having a hole mobility of 100 to 2000 cm 2 / V · s, and the other kind has a hole concentration of A fourth clathrate compound of 1.0 × 10 20 to 1.0 × 10 22 / cm 3 ,
The base material, the contained third clathrate compound, the fine particles, the fourth clathrate compound thermoelectric conversion elements you characterized by containing.
粒子の焼結により形成された多孔体と、前記多孔体の空隙に含浸された充填材とで構成される熱電変換素子であって、
少なくとも、二種類のクラスレート化合物を含有し、前記クラスレート化合物の一種は、ホール移動度が100〜2000cm 2 /V・sの第三のクラスレート化合物であり、他の一種は、ホール濃度が1.0×10 20 〜1.0×10 22 /cm 3 の第四のクラスレート化合物であり、
前記粒子は、前記第三のクラスレート化合物を含有し、前記充填材は、前記第四のクラスレート化合物を含有することを特徴とする熱電変換素子。
A thermoelectric conversion element composed of a porous body formed by sintering particles and a filler impregnated in the voids of the porous body,
At least two kinds of clathrate compounds are contained, and one of the clathrate compounds is a third clathrate compound having a hole mobility of 100 to 2000 cm 2 / V · s, and the other kind has a hole concentration of A fourth clathrate compound of 1.0 × 10 20 to 1.0 × 10 22 / cm 3 ,
The particles, the contained third clathrate compound, the filler, the fourth thermoelectric conversion element you characterized by containing a clathrate compound.
前記焼結は、放電プラズマ焼結法によることを特徴とする請求項に記載の熱電変換素子。 The thermoelectric conversion element according to claim 6 , wherein the sintering is performed by a discharge plasma sintering method. 二種類の薄膜が交互に積層された構造を有する熱電変換素子であって、
少なくとも、二種類のクラスレート化合物を含有し、前記クラスレート化合物の一種は、ホール移動度が100〜2000cm 2 /V・sの第三のクラスレート化合物であり、他の一種は、ホール濃度が1.0×10 20 〜1.0×10 22 /cm 3 の第四のクラスレート化合物であり、
前記薄膜の一種は、前記第三のクラスレート化合物を含有し、他の一種は、前記第四のクラスレート化合物を含有することを特徴とする熱電変換素子。
A thermoelectric conversion element having a structure in which two types of thin films are alternately laminated,
At least two kinds of clathrate compounds are contained, and one of the clathrate compounds is a third clathrate compound having a hole mobility of 100 to 2000 cm 2 / V · s, and the other kind has a hole concentration of a fourth clathrate compound of 1.0 × 10 20 ~1.0 × 10 22 / cm 3,
One of said thin film, said containing third clathrate compound, other kind, the fourth clathrate compound thermoelectric conversion elements you characterized by containing.
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