JP5088116B2 - Method for manufacturing thermoelectric conversion element - Google Patents

Method for manufacturing thermoelectric conversion element Download PDF

Info

Publication number
JP5088116B2
JP5088116B2 JP2007315973A JP2007315973A JP5088116B2 JP 5088116 B2 JP5088116 B2 JP 5088116B2 JP 2007315973 A JP2007315973 A JP 2007315973A JP 2007315973 A JP2007315973 A JP 2007315973A JP 5088116 B2 JP5088116 B2 JP 5088116B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
thermoelectric conversion
conversion material
conversion element
particles
solution
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP2007315973A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2009141128A (en
Inventor
盾哉 村井
拓志 木太
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toyota Motor Corp
Original Assignee
Toyota Motor Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toyota Motor Corp filed Critical Toyota Motor Corp
Priority to JP2007315973A priority Critical patent/JP5088116B2/en
Publication of JP2009141128A publication Critical patent/JP2009141128A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP5088116B2 publication Critical patent/JP5088116B2/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Description

本発明は、絶縁材料としてのセラミックスを含有する熱電変換素子の製造方法に関し、特にこの製造方法による製品の組成をさらに安定させ熱電変換特性を向上させるものである。   The present invention relates to a method for manufacturing a thermoelectric conversion element containing ceramics as an insulating material, and more particularly to further stabilize the composition of a product produced by this manufacturing method and improve thermoelectric conversion characteristics.

熱電変換材料は、熱エネルギーと電気エネルギーを相互に変換することができる材料であり、熱電冷却素子や熱電発電素子として利用される熱電変換素子を構成する材料である。この熱電変換材料はゼーベック効果を利用して熱電変換を行うものであるが、その熱電変換性能は、性能指数ZTと呼ばれる下式(1)で表される。   The thermoelectric conversion material is a material that can mutually convert heat energy and electric energy, and is a material that constitutes a thermoelectric conversion element used as a thermoelectric cooling element or a thermoelectric power generation element. This thermoelectric conversion material performs thermoelectric conversion using the Seebeck effect, and the thermoelectric conversion performance is represented by the following formula (1) called a figure of merit ZT.

ZT=α2σT/κ (1)
(上式中、αはゼーベック係数を、σは電気伝導率を、κは熱伝導率を、そしてTは測定温度を示す)
ZT = α 2 σT / κ (1)
(Where α is the Seebeck coefficient, σ is the electrical conductivity, κ is the thermal conductivity, and T is the measured temperature)

上記式(1)から明らかなように、熱電変換材料の性能指数を高めるためには、用いる材料のゼーベック係数αおよび電気伝導率σを大きくし、熱伝導率κを小さくすればよいことがわかる。ここで材料の熱伝導率κを小さくするために、熱電変換材料の出発原料の粒子に熱電変換材料の母材と反応しない微粒子(不活性微粒子)を添加することがある。これにより、不活性微粒子が熱電変換材料における熱伝導の主要因であるフォノンを散乱させて、熱伝導率κを低減することができる。   As is clear from the above formula (1), it can be seen that in order to increase the figure of merit of the thermoelectric conversion material, it is sufficient to increase the Seebeck coefficient α and the electrical conductivity σ of the material to be used and decrease the thermal conductivity κ. . Here, in order to reduce the thermal conductivity κ of the material, fine particles (inactive fine particles) that do not react with the base material of the thermoelectric conversion material may be added to the particles of the starting material of the thermoelectric conversion material. As a result, the inactive fine particles can scatter phonons, which are the main cause of heat conduction in the thermoelectric conversion material, thereby reducing the thermal conductivity κ.

しかしながら、従来の熱電変換材料では、不活性微粒子が偏在することによって、不活性微粒子によるフォノンの散乱効果よりも不活性微粒子の偏在による電気抵抗率等の他の物性値の悪化の影響が大きく、熱電変換材料の性能向上が妨げられている。この問題を解消するため、例えば、出発原料を微粒子とし、それに母材と反応しないセラミックス等の微粒子を均一に分散させて焼結してなる熱電変換材料が開示されている(例えば、特許文献1および2参照)。   However, in the conventional thermoelectric conversion material, due to the uneven distribution of the inert fine particles, the influence of deterioration of other physical properties such as the electrical resistivity due to the uneven distribution of the inert fine particles is larger than the phonon scattering effect by the inert fine particles, Improvement of the performance of thermoelectric conversion materials is hindered. In order to solve this problem, for example, a thermoelectric conversion material is disclosed in which the starting material is fine particles, and fine particles such as ceramics that do not react with the base material are uniformly dispersed and sintered (for example, Patent Document 1). And 2).

特開2000−261047号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2000-261047 特開平3−148879号公報JP-A-3-148879

上記開示技術は、出発原料と不活性微粒子の両者を微粒子とすることで、不活性微粒子が熱電変換材料の母材全体に分散し易くなり出発原料の粒子間に存在する確率が高くなるので、母材の粒子同士の結晶化を防止することができるというものである。また粒径比がほぼ1の同等の大きさの粒子となるように出発原料と不活性微粒子とを調製するため、不活性微粒子は熱電変換材料中に偏在することなく均一に分布して存在でき、不活性微粒子の偏在による電気抵抗率等の他の物性値の悪化を抑えることができるとしている。   The above disclosed technique makes both the starting raw material and the inert fine particles fine particles, and the inert fine particles are easily dispersed throughout the base material of the thermoelectric conversion material, so that the probability of existing between the starting raw material particles increases. The crystallization of the base material particles can be prevented. In addition, since the starting material and the inert fine particles are prepared so that the particle size ratio is approximately equal to 1 in size, the inert fine particles can be uniformly distributed without being unevenly distributed in the thermoelectric conversion material. The deterioration of other physical properties such as electrical resistivity due to uneven distribution of inert fine particles can be suppressed.

しかしながら、粒径がナノオーダーである粒子は比表面積が大きいため、ファンデルワールス力等によって凝集しやすく、従って従来の方法のように熱電変換材料粒子と不活性微粒子を混合するのみでは、図1に示すように不活性微粒子2が凝集してミクロサイズになってしまい、熱電変換材料1中に不活性微粒子2をナノオーダーで分散させることができない。その結果、不活性材料同士の間隔がフォノンの平均自由行程より大きくなってしまい、熱伝導率を十分に低減することができない。   However, particles having a particle size in the nano order have a large specific surface area, so that they tend to aggregate due to van der Waals force or the like. Therefore, only by mixing thermoelectric conversion material particles and inert fine particles as in the conventional method, FIG. As shown in FIG. 2, the inert fine particles 2 are aggregated into a micro size, and the inert fine particles 2 cannot be dispersed in the nano-order in the thermoelectric conversion material 1. As a result, the interval between the inert materials becomes larger than the phonon mean free path, and the thermal conductivity cannot be sufficiently reduced.

また、上記従来技術では、不活性微粒子を均一に分散させて、電気抵抗率など上記式(1)に直接関係しない他の物性値の調整を行っているが、式(1)中、性能指数ZTに直接関係する電気伝導率σおよび熱伝導率κについての検討はなされていない。そのため、上記従来技術での不活性微粒子は、ミクロンスケールの粒径を有するものである。また、不活性微粒子の分散状態について、精密な検討はなされていない。   In the above prior art, the inert fine particles are uniformly dispersed to adjust other physical property values such as electrical resistivity that are not directly related to the above formula (1). The electrical conductivity σ and thermal conductivity κ directly related to ZT have not been studied. Therefore, the inert fine particles in the above prior art have a micron-scale particle size. Further, no precise examination has been made on the dispersion state of the inert fine particles.

なお、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))は熱および電気を共に伝えることができるため、電気伝導率σと熱伝導率κとは比例関係にある。さらに、電気伝導率σとゼーベック係数αとは反比例関係にあることが知られている。そのため、一般的に、電気伝導率σを向上させたとしても、それに伴い熱伝導率κの上昇およびゼーベック係数α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。   Since carriers (electrons or holes) contained in the thermoelectric conversion material can transmit both heat and electricity, the electrical conductivity σ and the thermal conductivity κ are in a proportional relationship. Furthermore, it is known that the electrical conductivity σ and the Seebeck coefficient α are in an inversely proportional relationship. Therefore, generally, even if the electrical conductivity σ is improved, the thermal conductivity κ increases and the Seebeck coefficient α 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.

そこで本発明では、上記従来の問題を解決し、より優れた性能指数を有する熱電変換素子の製造方法を提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to solve the above conventional problems and provide a method for manufacturing a thermoelectric conversion element having a better performance index.

上記問題点を解決するために第1の発明によれば、
還元剤とセラミックス粒子とを含有する強アルカリ性の第一の溶液を、熱電変換材料を構成する元素の塩を含有する強酸性の第二の溶液に滴下し、得られた粒子状物質を乾燥させることで複合粒子を得る工程;および
該複合粒子を焼結し熱電変換素子を得る工程、
を含むことを特徴とする熱電変換素子の製造方法が提供される。
In order to solve the above problems, according to the first invention,
A strongly alkaline first solution containing a reducing agent and ceramic particles is dropped into a strongly acidic second solution containing a salt of an element constituting the thermoelectric conversion material, and the resulting particulate matter is dried. A step of obtaining composite particles; and a step of sintering the composite particles to obtain a thermoelectric conversion element;
The manufacturing method of the thermoelectric conversion element characterized by including is provided.

また上記問題点を解決するために第2の発明によれば、
還元剤を含有する強アルカリ性の第一の溶液を、熱電変換材料を構成する元素の塩とセラミックス粒子とを含有する強酸性の第二の溶液に滴下し、得られた粒子状物質を乾燥させることで複合粒子を得る工程;および
該複合粒子を焼結し熱電変換素子を得る工程、
を含むことを特徴とする熱電変換素子の製造方法が提供される。
Moreover, according to 2nd invention in order to solve the said problem,
The strongly alkaline first solution containing the reducing agent is dropped into the strongly acidic second solution containing the salt of the element constituting the thermoelectric conversion material and the ceramic particles, and the obtained particulate matter is dried. A step of obtaining composite particles; and a step of sintering the composite particles to obtain a thermoelectric conversion element;
The manufacturing method of the thermoelectric conversion element characterized by including is provided.

本発明において、より優れた性能指数を有する熱電変換素子を得ることができる。   In the present invention, a thermoelectric conversion element having a better figure of merit can be obtained.

まず、性能指数ZTと熱電変換材料の組織構成との関係について、図2を参照しながら詳細に説明する。図2に示すように、熱電変換材料の組織寸法が、フォノンの平均自由行程の長さを起点にこれよりも小さくなるにつれて、熱電変換材料の熱伝導率κは徐々に減少する。したがって、組織寸法がフォノンの平均自由行程よりも小さくなるように設計すると、性能指数ZTが向上する。   First, the relationship between the figure of merit ZT and the structure of the thermoelectric conversion material will be described in detail with reference to FIG. As shown in FIG. 2, the thermal conductivity κ of the thermoelectric conversion material gradually decreases as the structure size of the thermoelectric conversion material becomes smaller starting from the length of the phonon mean free path. Therefore, the figure of merit ZT is improved when the structure size is designed to be smaller than the mean free path of phonons.

一方、熱電変換材料の組織寸法がフォノンの平均自由行程を起点にこれより小さくなっても、熱電変換材料の電気伝導率σは減少せず、概ねキャリアの平均自由行程以下の粒径となった場合に減少する。このように、熱伝導率κが減少し始める熱電変換材料の組織寸法と、電気伝導率σが減少し始める熱電変換材料の組織寸法とが異なることを利用し、電気伝導性の減少率よりも熱伝導率κの減少率が大きい熱電変換材料の組織寸法となるように、熱電変換材料の組織寸法をキャリアの平均自由行程以上フォノンの平均自由行程以下とすることで、上記式(1)で表される性能指数ZTをよりいっそう高めることができる。   On the other hand, even if the structure size of the thermoelectric conversion material is smaller than the average free path of phonons, the electrical conductivity σ of the thermoelectric conversion material does not decrease, and the particle size is generally less than the average free path of carriers. Decrease in case. Thus, using the fact that the structural dimension of the thermoelectric conversion material where the thermal conductivity κ begins to decrease and the structural dimension of the thermoelectric conversion material where the electrical conductivity σ begins to decrease are different from each other, By making the structure dimension of the thermoelectric conversion material not less than the average free path of the carrier and not more than the average free path of the phonon so that the structure dimension of the thermoelectric conversion material has a large reduction rate of the thermal conductivity κ, The expressed figure of merit ZT can be further increased.

ここで、熱電変換材料の組織寸法を規定するのは、熱電変換材料中に分散される絶縁材料であるセラミックス粒子の粒径、またはセラミックス同士の分散間隔である。そこで、本発明では、セラミックス同士の分散間隔を、上記効果が得られるように制御する。   Here, the size of the thermoelectric conversion material is defined by the particle size of ceramic particles, which are insulating materials dispersed in the thermoelectric conversion material, or the dispersion interval between ceramics. Therefore, in the present invention, the dispersion interval between the ceramics is controlled so as to obtain the above effect.

すなわち、本発明の方法により得られる熱電変換素子において、熱電変換材料中に分散されるセラミックス粒子同士の間隔は、熱電変換材料のフォノンの平均自由行程以下である。   That is, in the thermoelectric conversion element obtained by the method of the present invention, the interval between the ceramic particles dispersed in the thermoelectric conversion material is equal to or less than the phonon mean free path of the thermoelectric conversion material.

ここで、平均自由行程(MFP)は、以下の式を用いて計算される。
キャリアMFP=(移動度×有効質量×キャリア速度)/電荷素量
フォノンMFP=3×格子熱伝導率/比熱/音速
上式において、各々の値は文献値と温度特性の近似式から換算し、比熱のみ実測値を用いる。
Here, the mean free path (MFP) is calculated using the following equation.
Carrier MFP = (mobility × effective mass × carrier velocity) / elementary charge phonon MFP = 3 × lattice thermal conductivity / specific heat / sound velocity In the above equation, each value is converted from the literature value and the approximate equation of the temperature characteristic, Only measured values are used for specific heat.

ここで、Co0.94Ni0.06Sb3およびCoSb3について計算したキャリアMFPとフォノンMFPの結果を以下に示す。 Here, the results of the carrier MFP and the phonon MFP calculated for Co 0.94 Ni 0.06 Sb 3 and CoSb 3 are shown below.

Figure 0005088116
Figure 0005088116

このように、キャリアMFPおよびフォノンMFPは材料および温度によってきまる。本発明によって得られる熱電変換素子においては、少なくとも一部の組織寸法が、熱電変換材料のパワーファクター(α2σ)が最高出力時のフォノンの平均自由行程以下であればよい。CoSb3系は400℃においてパワーファクター(α2σ)が最高出力を示すので、400℃時のフォノンの平均自由行程以下であればよい。具体的には、この間隔は、1nm以上100nm以下であることが好ましく、10nm以上100nm以下であることがより好ましい。 As described above, the carrier MFP and the phonon MFP are determined by the material and the temperature. In the thermoelectric conversion element obtained by the present invention, it is sufficient that at least a part of the structure dimension is equal to or less than the phonon mean free path when the power factor (α 2 σ) of the thermoelectric conversion material is the maximum output. Since the power factor (α 2 σ) shows the maximum output at 400 ° C. in the CoSb 3 system, it may be equal to or less than the phonon mean free path at 400 ° C. Specifically, this interval is preferably 1 nm or more and 100 nm or less, and more preferably 10 nm or more and 100 nm or less.

上記の検討に基づいた上で、本発明では、まず還元剤を含有する強アルカリ性の第一の溶液を用意する。ここで強アルカリ性とはpHが11以上であることをいう。   Based on the above examination, in the present invention, first, a strong alkaline first solution containing a reducing agent is prepared. Here, strong alkalinity means that the pH is 11 or more.

前記還元剤としては、熱電変換材料を構成する元素のイオンを還元できるものであればよく、例えばNaBH4、ヒドラジン等を用いることができる。 Any reducing agent may be used as long as it can reduce the ions of the elements constituting the thermoelectric conversion material. For example, NaBH 4 , hydrazine, or the like can be used.

この第一の溶液の溶媒は、上記還元剤および場合によって含まれることのあるセラミックス粒子を分散できるものであれば特に制限されないが、アルコール、特にエタノールを用いることが好適である。   The solvent of the first solution is not particularly limited as long as it can disperse the reducing agent and the ceramic particles that may be contained in some cases, but it is preferable to use alcohol, particularly ethanol.

次に、熱電変換材料を構成する元素の塩を含有する強酸性の第二の溶液を用意する。ここで強酸性とはpHが3以下であることをいう。   Next, a strongly acidic second solution containing a salt of an element constituting the thermoelectric conversion material is prepared. Here, strong acid means that the pH is 3 or less.

熱電変換材料はP型であってもN型であってもよい。P型熱電変換材料の材質としては特に制限なく、例えば、Bi2Te3系、PbTe系、Zn4Sb3系、CoSb3系、ハーフホイスラー系、フルホイスラー系、SiGe系などを用いることができる。N型熱電変換材料の材質としても特に制限なく公知の材料を適用することができ、例えば、Bi2Te3系、PbTe系、Zn4Sb3系、CoSb3系、ハーフホイスラー系、フルホイスラー系、SiGe系、Mg2Si系、Mg2Sn系、CoSi系などを用いることができる。 The thermoelectric conversion material may be P-type or N-type. The material of the P-type thermoelectric conversion material is not particularly limited, and for example, Bi 2 Te 3 system, PbTe system, Zn 4 Sb 3 system, CoSb 3 system, half-Heusler system, full Heusler system, SiGe system, etc. can be used. . As the material of the N-type thermoelectric conversion material, a known material can be applied without particular limitation. For example, Bi 2 Te 3 system, PbTe system, Zn 4 Sb 3 system, CoSb 3 system, half-Heusler system, full Heusler system SiGe, Mg 2 Si, Mg 2 Sn, CoSi, or the like can be used.

本発明において用いる熱電変換材料は、出力因子が1mW/K2よりも大きいことが好ましく、2mW/K2以上であることがより好ましく、3mW/K2以上であることが更に好ましい。出力因子が1mW/K2以下の場合には、あまり大きな性能向上が期待できない。また、熱電変換材料の熱伝導率κは、5W/mKよりも大きいことが好ましく、7W/mK以上であることがより好ましく、10W/mK以上であることが更に好ましい。熱伝導率κが5W/mKよりも大きい場合に、特に本発明の効果が著しく呈される。つまり、熱電変換材料の組織寸法について本発明に規定するナノオーダーで制御を行った場合の効果は、熱伝導率κが大きい熱電変換材料を用いるほど熱伝導率κの低下が著しくなる傾向にあり、特に熱伝導率κが5W/mKよりも大きい熱電変換材料を用いた場合に、熱伝導率κの減少効果が大きく現れる。 Thermoelectric conversion material used in the present invention, it is preferable power factor is greater than 1 mW / K 2, more preferably 2 mW / K 2 or more, more preferably 3 mW / K 2 or more. When the output factor is 1 mW / K 2 or less, a great performance improvement cannot be expected. Further, the thermal conductivity κ of the thermoelectric conversion material is preferably larger than 5 W / mK, more preferably 7 W / mK or more, and further preferably 10 W / mK or more. When the thermal conductivity κ is larger than 5 W / mK, the effect of the present invention is particularly remarkable. In other words, the effect of controlling the microstructure dimensions of the thermoelectric conversion material at the nano-order specified in the present invention tends to decrease the thermal conductivity κ more significantly as the thermoelectric conversion material having a higher thermal conductivity κ is used. In particular, when a thermoelectric conversion material having a thermal conductivity κ greater than 5 W / mK is used, the effect of reducing the thermal conductivity κ is significant.

このような熱電変換材料を構成する元素の塩は例えば、熱電変換材料がCoSb3の場合には、塩化コバルトの水和物および塩化アンチモンを、Co1-xNixSb3の場合には、塩化コバルトの水和物、塩化ニッケルおよび塩化アンチモンを意味する。Bi2Te3の場合には、塩化ビスマスおよび塩化テルルを意味する。 For example, when the thermoelectric conversion material is CoSb 3 , the salt of an element constituting such a thermoelectric conversion material is cobalt chloride hydrate and antimony chloride, and in the case of Co 1-x Ni x Sb 3 , It means cobalt chloride hydrate, nickel chloride and antimony chloride. In the case of Bi 2 Te 3 , it means bismuth chloride and tellurium chloride.

第二の溶液の溶媒は、上記熱電変換材料を構成する元素の塩および場合によって含まれることのあるセラミックス粒子を分散できるものであれば特に制限されないが、アルコール、特にエタノールを用いることが好適である。   The solvent of the second solution is not particularly limited as long as it can disperse the salt of the element constituting the thermoelectric conversion material and the ceramic particles that may be included in some cases, but it is preferable to use alcohol, particularly ethanol. is there.

熱電変換材料を構成する元素の塩を含む第二の溶液中には熱電変換材料の原料イオン、例えばCoイオンやSbイオンが存在する。従って、還元剤を含む第一の溶液が第二の溶液に滴下されると、これらのイオンは還元され、熱電変換材料を構成する元素の粒子、例えばCo粒子やSb粒子が析出することになる。   In the second solution containing the salt of the element constituting the thermoelectric conversion material, raw material ions of the thermoelectric conversion material, such as Co ions and Sb ions, are present. Therefore, when the first solution containing the reducing agent is dropped into the second solution, these ions are reduced, and particles of elements constituting the thermoelectric conversion material, such as Co particles and Sb particles, are precipitated. .

強アルカリ性の第一の溶液の強酸性の第二の溶液への滴下は、強酸性の第二の溶液が中性になるまでで終了することもできる。   The dropping of the strongly alkaline first solution into the strongly acidic second solution can be terminated until the strongly acidic second solution becomes neutral.

第一および第二の溶液のpHを調整するためにpH調整材を添加することができる。pH調整材は公知のものを適宜適用することができ、例えば、塩酸、酢酸、硝酸、アンモニア水、水酸化ナトリウム、水素化ホウ素ナトリウム(NaBH4)などを用いることができる。 A pH adjuster can be added to adjust the pH of the first and second solutions. As the pH adjusting material, known materials can be appropriately applied. For example, hydrochloric acid, acetic acid, nitric acid, aqueous ammonia, sodium hydroxide, sodium borohydride (NaBH 4 ) and the like can be used.

また第一の溶液または第二の溶液にはセラミックス粒子が含有されている。セラミックスとしては、アルミナ、ジルコニア、チタニア、マグネシア、シリカ等の一般に用いられている材料を用いることができる。これらの中でも、熱伝導率の低さの観点から、シリカ、ジルコニア、チタニアであることが好ましい。また、用いるセラミックス粒子の種類は単一種であっても、二種以上を併用してもよい。セラミックスの比抵抗は1000μΩmよりも大きいことが好ましく、106μΩm以上であることがより好ましく、1010μΩm以上であることが更に好ましい。比抵抗が1000μΩm以下の場合には、熱伝導が高いためZT向上の妨げとなる場合がある。 The first solution or the second solution contains ceramic particles. As the ceramic, generally used materials such as alumina, zirconia, titania, magnesia, silica, and the like can be used. Among these, silica, zirconia, and titania are preferable from the viewpoint of low thermal conductivity. Moreover, the kind of ceramic particle to be used may be a single kind or a combination of two or more kinds. The specific resistance of the ceramic is preferably larger than 1000 μΩm, more preferably 10 6 μΩm or more, and still more preferably 10 10 μΩm or more. When the specific resistance is 1000 μΩm or less, the heat conduction is high, which may hinder the improvement of ZT.

セラミックス粒子の平均粒子径は、フォノンの平均自由行程以下であり、具体的には1〜100nmである。このような粒径を有する粒子を用いると、形成される熱電変換材料中に分散されるセラミックス同士の間隔が、セラミックスのフォノンの平均自由行程以下となり、熱電変換材料中でフォノンの散乱が充分に起こるため、熱電変換材料の熱伝導率κが減少し、性能指数ZTが向上する。   The average particle diameter of the ceramic particles is equal to or less than the average free path of phonons, specifically 1 to 100 nm. When particles having such a particle size are used, the distance between the ceramics dispersed in the thermoelectric conversion material to be formed becomes less than the mean free path of the phonons of the ceramic, and phonon scattering is sufficiently performed in the thermoelectric conversion material. As a result, the thermal conductivity κ of the thermoelectric conversion material is reduced, and the figure of merit ZT is improved.

本発明の方法により得られる熱電変換素子において、熱電変換材料粒子に対するセラミックス粒子の混合比は5〜40vol%であることが好ましい。   In the thermoelectric conversion element obtained by the method of the present invention, the mixing ratio of the ceramic particles to the thermoelectric conversion material particles is preferably 5 to 40 vol%.

上記のように原料イオンが還元して熱電変換材料を構成する元素の粒子が析出する際に、反応場には粒径が1〜100nmであるセラミックス粒子も存在している。   As described above, when the element ions constituting the thermoelectric conversion material are precipitated by reduction of the raw material ions, ceramic particles having a particle diameter of 1 to 100 nm are also present in the reaction field.

したがって、第一の溶液を滴下した第二の溶液に得られる粒子状物質とは、本質的に粒径が1〜100nmであるセラミックス粒子と熱電変換材料を構成する元素の粒子を含み、これらは均一に分散した状態で存在する。   Therefore, the particulate matter obtained in the second solution to which the first solution is dropped includes ceramic particles having a particle size of 1 to 100 nm and particles of elements constituting the thermoelectric conversion material. It exists in a uniformly dispersed state.

なお、この還元において、Co粒子やSb粒子の他に、副生物、例えばNaClとNaBO3が生成する。この副生物を除去するために、濾過を行うことが好ましい。さらに、濾過後、アルコールや水を加えて、副生物を洗い流すことが好適である。 In this reduction, by-products such as NaCl and NaBO 3 are generated in addition to Co particles and Sb particles. Filtration is preferably performed to remove this by-product. Furthermore, after filtration, it is preferable to add alcohol or water to wash away by-products.

この第一の溶液を滴下した第二の溶液に得られた粒子状物質を乾燥させ、セラミックス粒子と熱電変換材料粒子が均一に分散混合された分散型複合粒子が得られる。この分散型複合粒子を、必要に応じて洗浄・乾燥した後、一般的な焼結法により、例えばCoSb3ならば400〜800℃、好ましくは450〜650℃においてSPS焼結することにより、熱電変換材料の連続相中にセラミックス粒子が分散して分散相を構成する熱電変換素子が得られる。 The particulate matter obtained in the second solution in which the first solution is dropped is dried to obtain dispersed composite particles in which ceramic particles and thermoelectric conversion material particles are uniformly dispersed and mixed. The dispersion type composite particles are washed and dried as necessary, and then subjected to thermoelectricity by SPS sintering at a temperature of 400 to 800 ° C., preferably 450 to 650 ° C. in the case of CoSb 3 by a general sintering method. A thermoelectric conversion element is obtained in which ceramic particles are dispersed in the continuous phase of the conversion material to form a dispersed phase.

本発明の熱電変換素子の製造方法は、ナノオーダーでの組織寸法(絶縁材料の粒径や絶縁材料同士の分散間隔)の制御を可能とするものである。すなわち、平均粒子径が1〜100nmであるセラミックス粒子と熱電変換材料粒子の均一に分布した凝集体を調製することにより、熱電変換素子の組織寸法(セラミックス同士の分散間隔)が、フォノンの平均自由行程以下、好ましくはキャリアの平均自由行程以上フォノンの平均自由行程以下となり、熱電変換素子中のフォノンの散乱が充分に起こり、熱伝導率κを減少させることができる。さらに本発明により、熱電変換材料粒子の析出の際に、析出粒子が再溶解し、欠落することを防ぎ、結果として生成する熱電変換素子の組成が安定する。この結果、式(1)で表される性能指数ZTが大きい熱電変換素子となる。このように、本発明の熱電変換素子の製造方法によれば、高い性能指数ZTを示す優れた熱電変換素子であって、従来では作製困難であった性能指数ZTが2を上回るような熱電変換素子を得ることもできる。   The manufacturing method of the thermoelectric conversion element of the present invention enables control of the structure dimension (particle size of insulating material and dispersion interval between insulating materials) in nano order. That is, by preparing a uniformly distributed aggregate of ceramic particles and thermoelectric conversion material particles having an average particle diameter of 1 to 100 nm, the structure size of the thermoelectric conversion element (dispersion interval between ceramics) is an average free of phonons. Less than the stroke, preferably more than the mean free path of carriers and less than the mean free path of phonons, phonon scattering sufficiently occurs in the thermoelectric conversion element, and the thermal conductivity κ can be reduced. Further, according to the present invention, when the thermoelectric conversion material particles are precipitated, the precipitated particles are prevented from redissolving and missing, and the composition of the resulting thermoelectric conversion element is stabilized. As a result, a thermoelectric conversion element having a large figure of merit ZT represented by the formula (1) is obtained. Thus, according to the method for manufacturing a thermoelectric conversion element of the present invention, an excellent thermoelectric conversion element exhibiting a high figure of merit ZT, which has a figure of merit ZT exceeding 2 that has been difficult to produce in the past. An element can also be obtained.

比較例1
塩化コバルト1.0g及び塩化アンチモン2.88gをエタノール100mLに加え、溶解させた後、この溶液に平均粒径30nmのアルミナ粒子0.2gを加え、分散液を調製した。この分散液のpHは1であった。この分散液を、水素化ホウ素ナトリウム2.0gをエタノール100mLに溶解させて調製した還元剤溶液に滴下した。この還元剤溶液のpHは14であった。次いで、エタノールと水の混合溶液で洗浄することによって不純物を除去した。次いで240℃にて24時間乾燥を行い、熱電変換材料であるCoSb3化合物を形成した。この複合粒子を充填し、600℃でSPS焼結を行い、熱電変換素子を得た。
Comparative Example 1
After adding and dissolving 1.0 g of cobalt chloride and 2.88 g of antimony chloride in 100 mL of ethanol, 0.2 g of alumina particles having an average particle diameter of 30 nm was added to this solution to prepare a dispersion. The pH of this dispersion was 1. This dispersion was added dropwise to a reducing agent solution prepared by dissolving 2.0 g of sodium borohydride in 100 mL of ethanol. The pH of this reducing agent solution was 14. Next, impurities were removed by washing with a mixed solution of ethanol and water. Then for 24 hours drying at 240 ° C., to form a CoSb 3 compound is thermoelectric conversion material. The composite particles were filled and SPS sintering was performed at 600 ° C. to obtain a thermoelectric conversion element.

例1
還元剤としての水素化ホウ素ナトリウム(NaBH4)1.8gおよび平均粒径30nmの粉末シリカ(SiO2)粒子0.26gをエタノール100mLに加え、強アルカリ性(pH=11)の第一の溶液を調製した。塩化コバルト六水和物(CoC12・6H2O)0.895g、塩化アンチモン(SbCl3)2.74gおよび塩化ニッケル六水和物(NiCl2・6H2O)0.057gをエタノール100mLに加え、強酸性(pH=3)の第二の溶液を調製した。この強酸性の第二の溶液が中性になるまで強アルカリ性の第一の溶液を滴下し、反応場を常に、酸性または中性に保ち、決してアルカリ性(pH>10)にすることなく、Sbの再熔解を防いで、複合粒子を作製した。次いで、複合粒子をエタノールと水の混合溶液で洗浄することによって不純物を除去した。次いで240℃にて24時間乾燥を行い、セラミック粒子であるSiO2と熱電変換材料である(Co、Ni)Sb3から構成された分散型複合粒子を形成した。この複合粒子を充填し、400〜500℃でSPS焼結を行い、本発明の熱電変換素子を得た。
Example 1
1.8 g of sodium borohydride (NaBH 4 ) as a reducing agent and 0.26 g of powdered silica (SiO 2 ) particles having an average particle size of 30 nm are added to 100 mL of ethanol, and a strongly alkaline (pH = 11) first solution is added. Prepared. Addition of cobalt nitrate hexahydrate (CoC1 2 · 6H 2 O) 0.895g chloride, antimony chloride (SbCl 3) 2.74 g and nickel chloride hexahydrate (NiCl 2 · 6H 2 O) 0.057g of ethanol 100mL A second solution with strong acidity (pH = 3) was prepared. The strongly alkaline first solution is added dropwise until the strongly acidic second solution is neutral, and the reaction field is always kept acidic or neutral, and never becomes alkaline (pH> 10). Thus, composite particles were produced. Next, impurities were removed by washing the composite particles with a mixed solution of ethanol and water. Next, drying was performed at 240 ° C. for 24 hours to form dispersed composite particles composed of SiO 2 as ceramic particles and (Co, Ni) Sb 3 as thermoelectric conversion material. The composite particles were filled and SPS sintering was performed at 400 to 500 ° C. to obtain the thermoelectric conversion element of the present invention.

例2
還元剤としての水素化ホウ素ナトリウム(NaBH4)1.8gをエタノール100mLに加え、強アルカリ性(pH=11)の第一の溶液を調製した。塩化コバルト六水和物(CoC12・6H2O)0.895g、塩化アンチモン(SbCl3)2.74g、塩化ニッケル六水和物(NiCl2・6H2O)0.057gおよび平均粒径30nmの粉末シリカ(SiO2)粒子0.26gをエタノール100mLに加え、強酸性(pH=3)の第二の溶液を調製した。この強酸性の第二の溶液が中性になるまで強アルカリ性の第一の溶液を滴下し、反応場を常に、酸性または中性に保ち、決してアルカリ性(pH>10)にすることなく、Sbの再熔解を防いで、複合粒子を作製した。次いで、複合粒子をエタノールと水の混合溶液で洗浄することによって不純物を除去した。次いで240℃にて24時間乾燥を行い、セラミック粒子であるSiO2と熱電変換材料である(Co、Ni)Sb3から構成された分散型複合粒子を形成した。この複合粒子を充填し、400〜500℃でSPS焼結を行い、本発明の熱電変換素子を得た。
Example 2
A strong alkaline (pH = 11) first solution was prepared by adding 1.8 g of sodium borohydride (NaBH 4 ) as a reducing agent to 100 mL of ethanol. Cobalt chloride hexahydrate (CoC1 2 · 6H 2 O) 0.895 g, antimony chloride (SbCl 3 ) 2.74 g, nickel chloride hexahydrate (NiCl 2 · 6H 2 O) 0.057 g and average particle size 30 nm A powdery silica (SiO 2 ) particle (0.26 g) was added to 100 mL of ethanol to prepare a strongly acidic (pH = 3) second solution. The strongly alkaline first solution is added dropwise until the strongly acidic second solution is neutral, and the reaction field is always kept acidic or neutral, and never becomes alkaline (pH> 10). Thus, composite particles were produced. Next, impurities were removed by washing the composite particles with a mixed solution of ethanol and water. Next, drying was performed at 240 ° C. for 24 hours to form dispersed composite particles composed of SiO 2 as ceramic particles and (Co, Ni) Sb 3 as thermoelectric conversion material. The composite particles were filled and SPS sintering was performed at 400 to 500 ° C. to obtain the thermoelectric conversion element of the present invention.

こうして得られた例1の熱電変換素子のXRDを図3に示す。このXRD結果は、本発明による熱電変換素子では、CoSb3単相で作製可能であることを示している。これにより熱電変換素子の組成が従来よりもさらに安定し熱電変換特性が向上する。 The XRD of the thermoelectric conversion element of Example 1 obtained in this way is shown in FIG. This XRD result shows that the thermoelectric conversion element according to the present invention can be produced with a single CoSb 3 phase. Thereby, the composition of the thermoelectric conversion element is further stabilized as compared with the conventional one, and the thermoelectric conversion characteristics are improved.

従来の方法による熱電変換材料の製造工程を示す略図である。It is the schematic which shows the manufacturing process of the thermoelectric conversion material by the conventional method. 熱電変換材料の組織寸法と、ゼーベック係数α、電気伝導率σまたは熱伝導率κとの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the structure dimension of a thermoelectric conversion material, Seebeck coefficient (alpha), electrical conductivity (sigma), or thermal conductivity (kappa). 本発明の熱電変換素子のXRDである。It is XRD of the thermoelectric conversion element of this invention.

Claims (5)

還元剤を含有する強アルカリ性の第一の溶液を、熱電変換材料を構成する元素の塩とセラミックス粒子とを含有する強酸性の第二の溶液に滴下し、得られた粒子状物質を乾燥させることで複合粒子を得る工程;および
該複合粒子を焼結し熱電変換素子を得る工程、
を含むことを特徴とする熱電変換素子の製造方法。
The strongly alkaline first solution containing the reducing agent is dropped into the strongly acidic second solution containing the salt of the element constituting the thermoelectric conversion material and the ceramic particles, and the obtained particulate matter is dried. Obtaining composite particles; and sintering the composite particles to obtain a thermoelectric conversion element;
The manufacturing method of the thermoelectric conversion element characterized by including this.
還元剤とセラミックス粒子とを含有する強アルカリ性の第一の溶液を、熱電変換材料を構成する元素の塩を含有する強酸性の第二の溶液に滴下し、得られた粒子状物質を乾燥させることで複合粒子を得る工程;および
該複合粒子を焼結し熱電変換素子を得る工程、
を含み、
該滴下により生じる反応場が常に酸性または中性領域であることを特徴とする熱電変換素子の製造方法。
A strongly alkaline first solution containing a reducing agent and ceramic particles is dropped into a strongly acidic second solution containing a salt of an element constituting the thermoelectric conversion material, and the resulting particulate matter is dried. Obtaining composite particles by; and
Sintering the composite particles to obtain a thermoelectric conversion element;
Including
A method for producing a thermoelectric conversion element, characterized in that a reaction field generated by the dropping is always in an acidic or neutral region.
前記熱電変換材料を構成する元素の塩が塩化コバルト、塩化アンチモン、塩化ビスマス、および塩化テルルより選ばれる、請求項1または2に記載の熱電変換素子の製造方法。 The method for producing a thermoelectric conversion element according to claim 1 or 2 , wherein the salt of the element constituting the thermoelectric conversion material is selected from cobalt chloride, antimony chloride, bismuth chloride, and tellurium chloride. 前記熱電変換材料がCoSb3系またはBi2Te3系である、請求項1〜のいずれか1項に記載の熱電変換素子の製造方法。 The thermoelectric conversion material is a 3 system or Bi 2 Te 3 system CoSb, method for manufacturing a thermoelectric conversion element according to any one of claims 1 to 3. 前記還元剤が水素化ホウ素ナトリウムである、請求項1〜のいずれか1項に記載の熱電変換素子の製造方法。 The manufacturing method of the thermoelectric conversion element of any one of Claims 1-4 whose said reducing agent is sodium borohydride.
JP2007315973A 2007-12-06 2007-12-06 Method for manufacturing thermoelectric conversion element Expired - Fee Related JP5088116B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2007315973A JP5088116B2 (en) 2007-12-06 2007-12-06 Method for manufacturing thermoelectric conversion element

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2007315973A JP5088116B2 (en) 2007-12-06 2007-12-06 Method for manufacturing thermoelectric conversion element

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2009141128A JP2009141128A (en) 2009-06-25
JP5088116B2 true JP5088116B2 (en) 2012-12-05

Family

ID=40871464

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2007315973A Expired - Fee Related JP5088116B2 (en) 2007-12-06 2007-12-06 Method for manufacturing thermoelectric conversion element

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP5088116B2 (en)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5387215B2 (en) * 2009-08-04 2014-01-15 トヨタ自動車株式会社 Nanocomposite thermoelectric conversion material and method for producing the same
JP2011129832A (en) * 2009-12-21 2011-06-30 Denso Corp Thermoelectric conversion element and method of manufacturing the same
JP2012023201A (en) * 2010-07-14 2012-02-02 Toyota Motor Corp Manufacturing method of thermoelectric conversion material
US8840799B2 (en) * 2011-12-01 2014-09-23 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Binary thermoelectric material containing nanoparticles and process for producing the same
US8834736B2 (en) * 2011-12-01 2014-09-16 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Ternary thermoelectric material containing nanoparticles and process for producing the same
JP5397500B2 (en) * 2012-04-27 2014-01-22 トヨタ自動車株式会社 Nanocomposite thermoelectric conversion material and method for producing the same
US20130330225A1 (en) * 2012-06-07 2013-12-12 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America, Inc. Production method for nanocomposite thermoelectric conversion material

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5173433B2 (en) * 2005-12-07 2013-04-03 トヨタ自動車株式会社 Thermoelectric conversion material and manufacturing method thereof

Also Published As

Publication number Publication date
JP2009141128A (en) 2009-06-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5534069B2 (en) Method for manufacturing thermoelectric conversion element
JP2008305907A (en) Manufacturing method of thermoelectric conversion element
JP5173433B2 (en) Thermoelectric conversion material and manufacturing method thereof
JP5088116B2 (en) Method for manufacturing thermoelectric conversion element
JP4900480B2 (en) Thermoelectric conversion element and manufacturing method thereof
WO2008149871A1 (en) Thermoelectric conversion element, and method for production thereof
JP6879965B2 (en) Two-component thermoelectric material containing nanoparticles and its manufacturing method
US8419980B2 (en) Ternary thermoelectric material containing nanoparticles and process for producing the same
JP6125810B2 (en) Three-component thermoelectric material containing nanoparticles and method for producing the same
JP5181707B2 (en) Thermoelectric conversion element and manufacturing method thereof
JP5098608B2 (en) Method for manufacturing thermoelectric conversion element
JP5038984B2 (en) Method for producing bismuth telluride thermoelectric conversion element
JP2009147145A (en) Thermoelectric transducer
JP6352584B2 (en) Three-component thermoelectric material containing nanoparticles and method for producing the same
JP5853483B2 (en) Nanocomposite thermoelectric conversion material
JP5011949B2 (en) Thermoelectric conversion element and manufacturing method thereof
JP4766004B2 (en) Method for manufacturing thermoelectric conversion element
JP2008305918A (en) Thermoelectric conversion element and manufacturing method therefor

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20100819

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20120427

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20120605

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20120726

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20120814

A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20120827

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20150921

Year of fee payment: 3

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20150921

Year of fee payment: 3

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees