JP4965736B1 - 熱電変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
太陽光の平均照射電力に匹敵する非常に大きな熱電変換エネルギーを獲得できる熱電変換装置を実現する。
【解決手段】
ｎ型半導体からなるナノ接合トムソン素子の発熱部にｐ型半導体からなるナノ接合トムソン素子の発熱部が接続され二つのナノ接合トムソン素子のそれぞれに独立したＤＣ電源が接続されたことを特徴とする熱電変換装置である。ｐ型半導体からなるナノ接合トムソン素子の吸熱部にｎ型半導体からなるナノ接合トムソン素子の吸熱部が接合され二つのナノ接合トムソン素子のそれぞれに独立したＤＣ電源が接続されたことを特徴とする熱電変換装置である。
【効果】
以上のとおり、本発明の熱電変換装置は、ナノ接合トムソン素子として集積化が可能であり、非常に大きな太陽光の平均照射強度に匹敵する熱電変換エネルギーを獲得でき、その工業的価値は極めて高い。
【選択図】 図１

Description

本発明の熱電変換装置は、太陽光発電のように太陽光を必要としないで太陽光の平均照射電力に匹敵する非常に大きな熱電変換エネルギーを獲得できる昼夜連続運転が可能なナノ接合トムソン素子から構成されてなる。ナノ接合トムソン素子に電流を流し、電流方向でゼーベック係数の差により冷却あるいは発熱を発現させ、ナノ接合トムソン素子の発熱部に他のナノ接合トムソン素子の発熱部を接続して生じる熱流の温度勾配を形成してなる冷却機能を有する熱電変換装置と、ナノ接合トムソン素子の冷却部に他のナノ接合トムソン素子の冷却部を接続して生じる熱流の温度勾配を形成してなる発熱機能を有する熱電変換装置を実現できる。

トムソン素子の特性の中でもっとも重要な冷却量は、一般的に次式で表される。

冷却量＝ ペルチェ効果−ジュール熱−熱伝導損失

ここで、Ｑ：冷却量［Ｗ］、α：トムソン素子のゼーベック係数［Ｖ／Ｋ］、Ｔc 低温側表面温度［Ｋ］、Ｉ：電流値［Ａ］、Ｒ：内部抵抗[Ω]、Ｋ：トムソン素子の熱通過率［Ｗ／ｍ²Ｋ］、Ｓ：トムソン素子の表面積［ｍ²］、ΔＴ：トムソン素子両面の温度差［Ｋ］である。

したがって、トムソン素子の能力を効率良く取り出すためには、ジュール熱の発生を極力抑えるような使い方をすることと、トムソン素子両面の温度差を極力少なくすることである。

非特許文献１には、コンダクタンスの量子化が報告されている。Ｆｉｇｕｒｅ 1（図３）に示すインプレインゲート・トランジスタ（ＩＰＧ Ｔａｎｓｉｓｔｏｒ）は、電子伝達の場が電子の平均自由行程より小さくなると、電子は不純物による散乱を受けずにその場を透過できるようになる。このとき電子は散乱を受けずに弾道的に振る舞うことから、この状態をバリスティックな状態という。理想的なバリスティックな系では伝導特性は導体の形状により決定され、物質内部における不純物や格子欠陥による散乱などの確率的プロセスにより特性がゆらぐことはなく、電子伝導過程においてサイズの微細化と同時に伝導に関与する電子準位が限定されてくると、コンダクタンスの量子化が起こり、比較的簡単にナノ接合が実現できる。

金属ナノギャップとｎ型半導体のナノ接合について考えると、接合前は金属とｎ型半導体のフェルミ準位は異なるが、接合による電子の移動（拡散）でフェルミ準位が一致する。この電子移動により金属ナノギャップとｎ型半導体からなる系の電子のエネルギー分布が均一になる。次にｎ型半導体の両側を金属により接合し、エネルギー帯に外部から電圧印加により金属ナノギャップとｎ型半導体からなる回路に電流を流すと、接合部の一部に吸熱が、そして他方に発熱が生じる。金属ナノギャップを構成する金属のマイナス電極から半導体の伝導帯に電子が移動する際、フェルミ準位とｎ型半導体の伝導帯のエネルギーレベルの差に相当するエネルギーを吸収するため、吸熱が生じる。反対にｎ型半導体の伝導帯にある電子が金属ナノギャップを構成する金属のプラス電極の伝導帯に移る場合は発熱する。なおｐ型半導体は、キャリアが正孔であるため、ｎ型半導体に比べ応答速度は遅い。このナノ接合トムソン素子を用いた電子冷却システムは、冷却効率が高い為、移動体車両の壁面や窓に生じる放射や輻射による熱を利用した冷暖房システムに活用できる。また、半導体分野やパーソナルコンピュータの冷却システムに最適である。

非特許文献２の２６４頁の左側上段から９行目以降に、「・・・この巨大な熱電効果が生じる理由として１つ考えられるのが次元性に起因した解釈である。通常の金属のゼーベック係数は、モットの式より状態密度のエネルギーに微分に比例している。つまり、ポイントコンタクトに近い状態を実現するＮｉスピン量子ナノ接合や上記のナノキャップ接合では、次元性は０次元に近く、状態密度は理論的には、発散している。このため、状態密度のエネルギー微分は極めて大きくなる。これにより、巨大な熱起電力が発生すると考えられる。しかしながら、定量的な説明には未だ至っていないため、メカニズム解明は今後の課題といえる。」と記載されているが、この現象をナノ接合トムソン素子とすれば、技術的解釈に何ら矛盾はない。図４は、非特許文献２の図６（a）である。「図６（a）に示したように、環境温度を６Ｋ変化させるだけで起電力が１３．４ｍＶも変化する。ただし電流は〜ｎＡ程度と小さい。パワーに換算すると４．５ｐＷとなる。しかしながら、このスピン量子ナノ接合では集積化が可能であるため、非常に大きな電力を取り出すことができる。たとえば、２０Ｇ／ｃｍ^２の面密度で集積化すれば、８９．２ｍＷ／ｃｍ^２の電力が得られる。太陽光の平均照射強度はエアーマス（ＡＭ）１．５の１００ｍＷ／ｃｍ^２であるため、これに匹敵する値である。」と記載されている。

モットの式で熱起電力の符号は有効質量をフェルミ面で平均した量の符号、すなわちキャリアが電子であるかホールであるかで決まり、電気伝導率σの微分成分σ^‘＝ｃｏｎｓｔをみなすことができる。ゼーベック係数Ｓの絶対値は、電気伝導率σに反比例するので、電気伝導率σが０に近くなるとゼーベック係数Ｓの絶対値は、状態密度が理論的に発散することになり、無限大に近づく。したがって、ナノ接合トムソン素子に巨大な熱起電力が発生する。

特許第４７８２８９７号 特許第４７９１６１１号 特許第４８５６２８２号 特許第３９４７２１１号

Ｔｓｃｈｅｕｓｃｈｎｅｒ,Ｒａｌｆ Ｄ. ａｎｄ Ｗｉｅｃｈ, Ａｎｄｒｅａｓ Ｄ, "Ｑｕａｎｔｕｍ ｂａｌｌｉｓｔｉｃｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｉｎ ｉｎ−ｐａｈｓｅ−ｇａｔｅ ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ ｓｈｏｗｉｎｇｏｎｓｅｔ ｏｆａ ｎｏｖｅｌｆｅｒｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｐｈａｓｅ ｔｒａｎｓｉｓｉｔｉｏｎ ", Ｔｈｉｒｄ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ Ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ａｎｄ Ｍｅｓｏｓｃｏｐｉｃ Ｓｙｓｔｅｍｓ, Ｍａｙ１９−２４, １９９６, ＳａｎｔａＦｅ, Ｎｅｗｅｉｃｏ, ＵＳＡ 海住英生、"スピン量子ナノ接合における巨大熱電効果に関する研究"、Ａ９１１１、村田学術振興財団 編、Ｎｏ.２４、ｐｐ.２５６−２６５、２０１０

これまでのペルチェ素子やトムソン素子では、冷却作用と発熱作用が同時に発生する。冷却は冷却、発熱は発熱と分離利用できる新しい機能を有する熱電変換システムが望まれている。この問題を解決できる方法として、このナノ接合トムソン素子に電流を流して、ゼーベック係数の差による冷却あるいは発熱を独立に発現させるようにした熱電変換システムが望まれる。

本発明は、金属ナノギャップに半導体を形成してなるナノ接合トムソン素子を高分子膜またはガラス基板に形成する熱電変換装置において、ｎ型半導体からなるナノ接合トムソン素子の発熱部にｐ型半導体からなるトムソン素子の発熱部が接続された冷却機能を有する熱電変換装置である。また逆にナノ接合トムソン素子の冷却部に他のナノ接合トムソン素子の冷却部を接続して生じる熱流の温度勾配を形成してなる発熱機能を有する熱電変換装置を実現できる。

以上説明したように本発明の熱電変換装置は、建築物や移動体車両の壁や窓のみでなくあらゆる物体に生じる放射や輻射による熱を利用した熱電変換装置において、金属ナノギャップに半導体を形成してなるナノ接合トムソン素子を高分子膜またはガラス基板に形成し、この二つのナノ接合トムソン素子に電流を流し、ＤＣ電流の流れる方向で、ゼーベック係数の差による冷却あるいは発熱を発現させるようにした熱電変換システムである。本願発明は、熱力学の第一法則のエネルギー保存則に沿ったもので、内部では発熱を伴うがシステムとしては冷却機能を有し、根源的なヒートシンクの問題を解決できることになる。本願発明の熱電変換装置は、薄膜技術により大面積にナノ接合トムソン素子を集積形成できることから、太陽光の平均照射電力に匹敵する非常に大きな熱電変換エネルギーを獲得でき、その工業的価値は極めて高い。

本発明は、金属ナノギャップに半導体を形成してなるナノ接合トムソン素子を高分子膜またはガラス基板に形成し、ｎ型半導体からなるナノ接合トムソン素子の発熱部にｐ型半導体からなるナノ接合トムソン素子の発熱部が接続された熱電変換装置である。またｐ型半導体からなるナノ接合トムソン素子の冷却部にｎ型半導体からなるトムソン素子の冷却部が接続された熱電変換装置である。

以下、本発明の実施例について図面を用いて詳細に説明する。図１は、本発明の二つのナノ接合トムソン素子を利用した冷却システムである。これまでのペルチェ素子は、かならず冷却と発熱が同時に起こることは避けられない。本願発明は、内部では発熱を伴うが出力は冷却部を有した冷却システムを実現するものである。薄膜の原子レベルの制御と個々の極めて微小なナノ接合を再現性よく作製できるステップアンドリピートに対応したＳＴＭ−ＢＪ法でナノ接合トムソン素子を作製した。ＡＦＭ（Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）−ＢＪ(Ｂｒｅａｋ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ)で電流を測りながら、ＳＴＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）の針（金ワイヤ）を基板（Ｃｕ単結晶）にぶつけた後、引き離す。引き離す際、単一金原子からなる接点（量子ポイントコンタクト）ができ、原子移動を制御することが可能となる。量子化された電気伝導度（Ｇ_０＝２ｅ^２／ｈ＝７７．４マイクロ秒）を観測しながら、製作することができる。１０９と１１０は、高分子膜またはガラス基板である。Ｎｉ細線１０１とＮｉＯ（ｐ型半導体）細線１０２とＮｉ細線１０３からなるトムソン素子にＤＣ電圧１０４を印加すると、Ｎｉ細線１０１は冷却部１１４、Ｎｉ細線１０３は発熱部１１３となる。Ｎｉ細線１０３と金属細線１０５の原子境界面は、１１５である。Ｃｕ細線１０５とＺｎＯ（ｎ型半導体）細線１０６とＣｕ細線１０７からなるトムソン素子にＤＣ電圧１０８を１０ｍＶ印加すると、Ｃｕ細線１０５は発熱部１１２、Ｃｕ細線１０７は冷却部１１１が生じる。２０℃の常温状態で二つのトムソン素子の１０９と１１０の高分子膜またはガラス基板側の１１４と１１１からなる表面温度は８℃になっており、冷却システムとして動作していることがわかる。また、ｎ型半導体からなるナノ接合トムソン素子の冷却部にｐ型半導体からなるナノ接合トムソン素子の冷却部が接触した場合、発熱システムとして動作する熱電変換装置が実現できる。

本発明の熱電変換装置である。 従来のＩＰＣトランジスタ（量子バリスティク）の構造と電流特性である。 従来のスピン量子ナノ接合の電圧・電流特性である。

１０１ Ｎｉ細線
１０２ ＮｉＯ(ｐ型半導体)細線
１０３ Ｎｉ細線
１０４ ＤＣ電圧
１０５ Ｃｕ細線
１０６ ＺｎＯ（ｎ型半導体）細線
１０７ Ｃｕ細線
１０８ ＤＣ電圧
１０９ 高分子膜またはガラス基板
１１０ 高分子膜またはガラス基板
１１１ 冷却部
１１２ 発熱部
１１３ 発熱部
１１４ 冷却部
１１５ 原子境界面

Claims (2)

1. 金属ナノギャップに半導体を形成してなるナノ接合トムソン素子を高分子膜またはガラス基板に形成する熱電変換装置において、ｎ型半導体からなるナノ接合トムソン素子の発熱部にｐ型半導体からなるナノ接合トムソン素子の発熱部が接合され二つのナノ接合トムソン素子のそれぞれに独立したＤＣ電源が接続されたことを特徴とする熱電変換装置。
2. 金属ナノギャップに半導体を形成してなるナノ接合トムソン素子を高分子膜またはガラス基板に形成する熱電変換装置において、ｐ型半導体からなるナノ接合トムソン素子の吸熱部にｎ型半導体からなるナノ接合トムソン素子の吸熱部が接合され二つのナノ接合トムソン素子のそれぞれに独立したＤＣ電源が接続されたことを特徴とする熱電変換装置。