JP5176606B2 - Thermoelectric device element - Google Patents
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Description
本発明は熱エネルギーから電気エネルギーへの直接変換を行う熱発電デバイス素子に 関する。 The present invention relates to a thermoelectric device element that performs direct conversion from thermal energy to electrical energy.
熱発電は、物質の両端に印加された温度差に比例して起電力が生じるゼーベック効果を利用し、熱エネルギーを直接電気エネルギーに変換する技術である。この技術は、僻地用電源、宇宙用電源、軍事用電源等で実用化されている。 従来の熱発電デバイス素子は、キャリアの符号が異なるp型半導体とn型半導体を組み
あわせ、熱的に並列に、かつ電気的に直列につないだ、いわゆるπ型構造と呼ばれる構成となっている。
Thermoelectric power generation is a technology that directly converts thermal energy into electrical energy using the Seebeck effect in which an electromotive force is generated in proportion to the temperature difference applied to both ends of a substance. This technology has been put to practical use in remote power supplies, space power supplies, military power supplies, and the like. A conventional thermoelectric power generation device element has a so-called π-type structure in which a p-type semiconductor and an n-type semiconductor having different carrier signs are combined and connected in parallel and electrically in series. .
熱電変換デバイスに用いられる熱電変換材料の性能は性能指数Zまたは絶対温度
をかけて無次元化された性能指数ZTで評価される事が多い。
The performance of the thermoelectric conversion material used for the thermoelectric conversion device is often evaluated by the figure of merit Z or the figure of merit ZT made dimensionless by applying an absolute temperature.
ZTは、物質のS=ゼーベック係数、ρ=電気抵抗率、κ=熱伝導率、を用いて、Z T=S2T/ρκで記述される量である。また一方で、ゼーベック係数Sと電気抵抗 率ρだけを考慮したS2/ρはパワーファクターと呼ばれ、温度差を一定とした場合 の熱電材料の発電性能の良否を決定する基準となる。 ZT is a quantity described as Z T = S 2 T / ρκ, using S = Seebeck coefficient of the material, ρ = electrical resistivity, κ = thermal conductivity. On the other hand, S 2 / ρ taking into account only the Seebeck coefficient S and the electrical resistivity ρ is called a power factor, and is a standard for determining the quality of the power generation performance of the thermoelectric material when the temperature difference is constant.
現在、熱電変換材料として実用化されているBi2Te3は、ZTが1程度、パワーファクターが40〜50μW/cmK2であり、現状では比較的高い特性を持つが、それでも通常のπ型のデバイス構成にした場合には発電性能はあまり高くなく、より多くの用途での実用に足るほどには至っていない。 Bi 2 Te 3 currently in practical use as a thermoelectric conversion material has a ZT of about 1 and a power factor of 40 to 50 μW / cmK 2 , and has relatively high characteristics at present. In the case of a device configuration, the power generation performance is not so high, and it is not practical enough for more applications.
一方、π型以外のデバイス構成として、自然あるいは人工的に作られた積層構造にお ける熱電気特性の異方性を利用したものが古くから提案されている(非特許文献1を 参照)。 On the other hand, as a device configuration other than the π-type, a device configuration utilizing the anisotropy of thermoelectric properties in a natural or artificial laminated structure has been proposed for a long time (see Non-Patent Document 1).
しかし、非特許文献1によれば、このようなデバイスではZTの改善が見られないこ とから、熱発電用途ではなく、主に赤外線センサなど測定用途への応用が想定された 開発が行われている。 However, according to Non-Patent Document 1, since such a device does not show improvement in ZT, it is not intended to be used for thermoelectric power generation, but is mainly developed for applications such as infrared sensors. ing.
また、類似の構造を有するものとして、基板上にFeSi2系の熱電材料と、厚さが 100nm以下のSiO2等の絶縁材料を、縞状に交互に配列させた熱電変換材料が 特許文献1に開示されている。 Further, as a material having a similar structure, there is a thermoelectric conversion material in which an FeSi 2 -based thermoelectric material and an insulating material such as SiO 2 having a thickness of 100 nm or less are alternately arranged in a stripe pattern on a substrate. Is disclosed.
特許文献1によれば、このような微細構造を有する熱電材料は、主な構成材料である FeSi2系材料の単独の特性と比較して、微細構造の効果でゼーベック係数が向上 するものの、絶縁物質を含有するために導電率が低下する。すなわち電気抵抗率ρが 増大するので、熱発電デバイス素子の内部抵抗の増大につながり、結果として負荷を 通じて外部に取り出せる電力が小さくなってしまう。 According to Patent Document 1, the thermoelectric material having such a fine structure has an improved insulating effect although the Seebeck coefficient is improved by the effect of the fine structure as compared with the single characteristics of the FeSi 2 -based material which is the main constituent material. Conductivity decreases due to the inclusion of substances. That is, since the electrical resistivity ρ increases, the internal resistance of the thermoelectric device element increases, and as a result, the electric power that can be taken out through the load decreases.
他に、積層構造を有する熱電材料としては、半金属、金属、または合成樹脂からなる層状体を備えた熱電材料が特許文献2に開示されている。これは、従来のいわゆるπ型のデバイス構成において、層状体の積層方向に温度差を印加し、同方向に対向するように配置された電極を介して電力を取り出す構成が適用対象となっており、本質的には非特許文献1に開示されているデバイス構成とは異なる。
前述の通り、従来の熱電デバイスでは、より多くの用途で実用に足るだけの十分な 発電性能を得ることができない。本発明者等は実用的な性能を持つ熱電変換デバイス 実現のため、積層体を有するデバイス構成に関して鋭意研究を重ねてきた結果、金属 とSrTiO3からなる積層体の、層方向を電極の対向方向に対して傾斜させたデバ イスにおいて、SrTiO3単独と比較して電気抵抗率が抑制され、かつ発電特性が 大幅に向上するという意外な知見を見出し、この知見に基づいて本デバイスの発明に 至った。 As described above, the conventional thermoelectric device cannot obtain sufficient power generation performance sufficient for practical use in more applications. Since the present inventors have practical thermoelectric devices realized with performance results that have extensive studies on device configuration having a laminate, the laminate consisting of metal and SrTiO 3, the opposing direction of the layer direction electrode In comparison with SrTiO 3 alone, an unexpected finding that the electrical resistivity is suppressed and the power generation characteristics are greatly improved is found in the device tilted with respect to this, and the present invention of the device has been reached based on this finding. It was.
前記従来の課題を解決するために、本発明の熱発電デバイス素子は、第1電極および第2電極と、SrTiO3と金属が交互に積層されてなる積層体とからなり、前記第1電極および第2電極の対向方向に対して該積層体の層の向きが傾斜するよう電気的に接続され、前記電極の対向方向に対して垂直方向に温度差を印加するような配置を取るように構成される。 In order to solve the above-described conventional problems, the thermoelectric power generation device element of the present invention includes a first electrode and a second electrode, and a laminated body in which SrTiO 3 and a metal are alternately laminated. It is electrically connected so that the direction of the layer of the laminated body is inclined with respect to the opposing direction of the second electrode, and is arranged to apply a temperature difference in a direction perpendicular to the opposing direction of the electrode Is done.
本発明の熱発電デバイス素子によれば、積層体を構成する金属およびSrTiO3 の厚さの比および積層体の層の向きと電極の対向方向とがなす傾斜角度を適切に選択 することで構成材料単独の性能を大きく超える高い発電特性が得られる。これにより 従来の性能を超える熱発電が可能となり、実用的な熱発電デバイス素子が実現する。 すなわち熱と電気とのエネルギー変換の応用を促進させるものであり、本発明の工業 的価値は高い。 According to the thermoelectric device element of the present invention, the thickness ratio of the metal constituting the laminated body and SrTiO 3 and the inclination angle formed by the direction of the layer of the laminated body and the facing direction of the electrode are appropriately selected. High power generation characteristics that greatly exceed the performance of the material alone can be obtained. As a result, thermoelectric power generation exceeding the conventional performance becomes possible, and a practical thermoelectric power generation device element is realized. That is, it promotes application of energy conversion between heat and electricity, and the industrial value of the present invention is high.
以下本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
(実施の形態1)
図1は、本発明の実施の形態1における熱発電デバイス素子の構成を示した図である 。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a thermoelectric generator device element according to Embodiment 1 of the present invention.
図1において、平行に配置された第1電極11と第2電極12によって積層体13を 挟んだような構成で熱発電デバイス素子が形成されている。積層体13はSrTiO 3層14と金属層15が交互に積層されて構成され、その層に平行な方向16は電極 の対向方向17に対して角度θだけ傾斜している。
In FIG. 1, a thermoelectric device element is formed in such a configuration that a laminated
積層体13を構成する熱電材料層SrTiO3層は電子キャリアが導入されており、その 場合のキャリア数としては3×1020(cm-3)程度が望ましい。電子キャリアの導 入方法としてはSrTiO3層を構成するストロンチウムを価数が3+として安定な ランタンなどの希土類元素などで置換する方法、またはチタンをニオブやバナジウム などの価数が5+として安定な元素で置き換える方法や意図的に酸素元素を欠損させ て電子キャリアを材料内に導入する方法などがある。
Electron carriers are introduced into the thermoelectric material layer SrTiO 3 layer constituting the
このように構成された熱発電デバイス素子を駆動する際に温度差を印加する、すなわ ち温度勾配が生じる方向18は電極の対向方向17に対して直交しており、発生した 電力は第1電極11と第2電極12を介して取り出される。具体的には図2に示した ように、熱発電デバイス素子21の電極を配置しない一方の面に高温部22を、他方 の面に低温部23を密着させて熱発電デバイス素子に対して温度差を印加する。この 構成において、温度勾配が生じる方向24は図2に示したように電極の対向方向に対 して垂直となる。
A temperature difference is applied when driving the thus configured thermoelectric device element, that is, the
π型構造を有する従来の熱発電デバイス素子では、温度差を印加する方向に対して平
行方向だけに起電力が生じ、垂直方向に起電力が生じることは無い。詳細は後述する実施例で述べるが、本発明者等は様々な条件を検討し最適化することにより、積層体13の層に平行な方向16と電極の対向方向17とがなす角度、およびSrTiO3層14と金属層15の厚さおよびその比と熱発電性能の関係を詳細に調べて行く過程で、上記条件を適切に設定することにより本発明の熱発電デバイス素子において予想外に大きな熱発電性能が得られることを見出した。
In a conventional thermoelectric device element having a π-type structure, it is flat with respect to the direction in which the temperature difference is applied.
An electromotive force is generated only in the row direction, and no electromotive force is generated in the vertical direction. Although the details will be described in Examples described later, the present inventors have examined and optimized various conditions, and thereby, the angle formed between the
本発明の熱発電デバイス素子における第1電極11および第2電極12は電気伝導の良い材料であれば特に限定されない。具体的にはCu、Ag、Mo、W、Al、Ti、Cr、Au、Pt、In等の金属またはTiN、スズ添加酸化インジウム(ITO)、SnO2等の窒化物または酸化物が良い。また、はんだや導電性ペーストを用いることもできる。 The 1st electrode 11 and the 2nd electrode 12 in the thermoelectric device element of this invention will not be specifically limited if it is a material with good electrical conductivity. Specifically, a metal such as Cu, Ag, Mo, W, Al, Ti, Cr, Au, Pt, or In or a nitride or oxide such as TiN, tin-added indium oxide (ITO), or SnO 2 is preferable. Also, solder or conductive paste can be used.
積層体13を構成する金属層15は熱伝導率κが高く、かつ電気抵抗率が小さいもの が良い。具体的にはCu、Ag、Au、Alあるいはこれらの材料からなる合金であ るが、この中でもCu、Ag、Auが好ましく、CuとAgが特に好ましい。
The
本発明の熱発電デバイス素子の作製方法を図3を参照しながら説明する。 A method for producing the thermoelectric device element of the present invention will be described with reference to FIG.
積層体13を構成する積層構造体は、例えば金属32の箔にSrTiO3層14を堆 積したものを交互に重ねて圧力をかけ、またさらに熱も加えて圧着成形して作製する ことができる。積層体を作製する方法については特に限定されない。
The laminated structure constituting the laminated
次に、以上のようにして作製した積層構造体を切り出し、板状の積層体13に加工す る。この際、図3の破線に示したように積層の向きが板状の積層体13の表面に対し て所望の傾斜角度となるよう、切り出し範囲33を設定する。必要があれば切り出し た積層体13に研磨処理を行っても良い。その後、板状の積層体13の、傾斜方向の 一対の端面の一部あるいは全面に第1電極11および第2電極12を設けることによ り、本発明の熱発電デバイス素子を得ることができる。
Next, the laminated structure produced as described above is cut out and processed into a plate-like laminated
本デバイスを構成する積層体13における金属層15とSrTiO3層14の厚みの 比は99:1から70:30の範囲にあることが好ましい。この理由は、後述する実 施例2からも理解されるように、この範囲外であると、パワーファクター(S2/ρ )の値が十分大きくならないからである。また、積層体13の層に平行な方向16と 電極の対向方向17とがなす角度θは5°から60°の範囲にあるように作製するこ とが好ましく、10°から40°であることがより好ましい。この理由は、後述する 実施例1からも理解されるように、5°未満または60°を超えると、パワーファク ター(S2/ρ)の値が十分大きくならないからである。
The thickness ratio of the
金属層15を基体としてSrTiO3層14の薄膜を作製する際の作製方法は特に限 定いないので、スパッタ法、蒸着法、レーザーアブレーション法、化学的気相成長法 などの気相成長によるもの、ゾルゲル法などによる溶液から薄膜を作成する方法やバ ルク体を研磨して薄くする方法などが適用可能である。
The method for producing the thin film of the SrTiO 3
第1電極11および第2電極12の作製方法は、蒸着法、スパッタ法などの気相成長の他に、導電性ペーストの塗布、めっき、溶射、はんだによる接合など様々な方法を用いることができる。 As a method for manufacturing the first electrode 11 and the second electrode 12, various methods such as coating of conductive paste, plating, thermal spraying, and joining by soldering can be used in addition to vapor deposition such as vapor deposition and sputtering. .
(実施の形態2)
図4は本発明の実施の形態2における熱発電デバイスの構成を示した図である。
(Embodiment 2)
FIG. 4 is a diagram showing the configuration of the thermoelectric generator device according to Embodiment 2 of the present invention.
図4で示したのは、実施の形態1と同様の手順で作製される板状の積層体を、接地電極43を介して電気的に接続して平板状に構成したものである。このように構成される熱発電デバイスを用いて適用面積を大きくすることにより、全体としてより多くの発電量を得ることができる。
In FIG. 4, a plate-like laminate manufactured by the same procedure as that of the first embodiment is electrically connected via a
本デバイスにおける接続電極43は電気伝導の良い材料であれば特に限定されない。具体的にはCu、Ag、Mo、W、Al、Ti、Cr、Au、Pt、In等の金属またはTiN、スズ添加酸化インジウム(ITO)、SnO2等の窒化物や酸化物が良い。また、はんだや導電性ペーストを用いることも可能である。作製方法は、蒸着法、スパッタ法などの気相成長の他にめっき、溶射など様々な方法を用いることができる。
The
このようにして作製される熱発電デバイスを駆動する際は、平板状のデバイスの一方の面に高温部、他方の面に低温部を密着して熱流を生じさせることによって温度差を 印加する。熱流から本デバイスによって変換された電力は取り出し電極44を介して外部に取り出すことができる。
When driving a thermoelectric power generation device manufactured in this way, a temperature difference is applied by causing a high temperature part to adhere to one surface of a flat device and a low temperature part to the other surface to generate a heat flow. The electric power converted by the device from the heat flow can be extracted outside through the
本実施の形態における熱発電デバイスを構成するにあたり、積層体は接続電極43を介して電気的に直列に接続する他に、図5に示すように電気的に並列に接続しても良い。積層体を直列に接続する利点は、電力を取り出す際の電圧を大きくすることにある。
In configuring the thermoelectric power generation device in the present embodiment, the laminates may be electrically connected in parallel as shown in FIG. 5 in addition to being electrically connected in series via the
積層体を並列に接続すると、熱発電デバイス全体の内部抵抗を小さくすることの他に接続電極43による電気的な接続が一部断線してもデバイス全体としての電気的な接続を保つことにも利点がある。すなわち、これら直列および並列接続を適切に組み合わせる(例えば、図5を参照)ことによって、高い発電能力を有する熱発電デバイスを構成することができる。
When the stacked bodies are connected in parallel, in addition to reducing the internal resistance of the entire thermoelectric power generation device, the electrical connection of the entire device can be maintained even if the electrical connection by the
(実施例)
以下、本発明のより具体的な実施例を説明する。
(Example)
Hereinafter, more specific examples of the present invention will be described.
(実施例1)
SrTiO3層14と金属の積層体13として、幾つかの金属材料を用いて本発明の 熱発電デバイス素子を作製した。金属とSrTiO3の積層体は、図3に示すように 、金属箔の両面にSrTiO3薄膜を形成して得られたSrTiO3/金属箔/SrTi O3のシートを重ね合わせて加熱しながら圧着することにより作製した。
Example 1
As the SrTiO 3 layer 14 and the
第1電極11および第2電極12にはチタンを接着層として挟んだAuを用いた。ま ず100mm×100mm、厚さ95μmの金属箔の両面にゾルゲル法によりSrT iO3の前駆体からなる酸化物薄膜を形成した。電子キャリアの導入にはストロンチ ウムをランタンで置換して行った。LaドープSrTiO3前駆体はSr(CH3CO 2)2・1/2H2O、Ti(OC4H9)4およびLa2O3を原子両論比を用い てSr:La:Ti=0.98:0.02:1となるように秤量混合し、酢酸・メタ ノールで溶解した。さらにエチレングリコールを添加し、得られた溶液を300℃程 度まで加熱して粘性を高めた後に金属箔に塗布して乾燥させた。 For the first electrode 11 and the second electrode 12, Au sandwiched with titanium as an adhesive layer was used. First, an oxide thin film made of a precursor of SrTiO 3 was formed on both surfaces of a metal foil having a size of 100 mm × 100 mm and a thickness of 95 μm by a sol-gel method. Electron carriers were introduced by replacing strontium with lanthanum. The La-doped SrTiO 3 precursor is composed of Sr (CH 3 CO 2 ) 2 .1 / 2H 2 O, Ti (OC 4 H 9 ) 4, and La 2 O 3 using an atomic ratio. It was weighed and mixed to 98: 0.02: 1 and dissolved with acetic acid / methanol. Further, ethylene glycol was added, and the resulting solution was heated to about 300 ° C. to increase the viscosity, and then applied to a metal foil and dried.
得られた積層体を5mm×50mmの大きさに切断して短冊状の小片を得た。金属箔としては、金、銀、銅、アルミの各種金属材料の素材の箔を用いた。同様の工程を繰り返した後、この小片を200枚重ね合わせ、積層方向に100kg/cm2の荷重をかけながら10-4Paの減圧下において500℃で1時間の加熱を行い、Sr0.98La0.02TiO3の結晶化を行うと同時に各小片の圧着を行った。圧着後、おおよそ5mm×50mm×20mmの積層構造体を得た。この積層構造体に対して、切削研磨を行い、3mm×48mm×20mmの積層構造体を得た。 The obtained laminate was cut into a size of 5 mm × 50 mm to obtain strip-shaped pieces. As the metal foil, a foil made of various metal materials such as gold, silver, copper, and aluminum was used. After repeating the same process, 200 pieces of these small pieces were superposed and heated at 500 ° C. for 1 hour under a reduced pressure of 10 −4 Pa while applying a load of 100 kg / cm 2 in the stacking direction, and Sr 0.98 La 0.02 At the same time that TiO 3 was crystallized, each piece was pressed. After crimping, a laminated structure of approximately 5 mm × 50 mm × 20 mm was obtained. The laminated structure was cut and polished to obtain a laminated structure of 3 mm × 48 mm × 20 mm.
積層断面を走査電子顕微鏡にて観察したところ、金属層が約95μm、SrTiO3が約5μmの厚さで周期的に積層しているのを確認した。またSrTiO3においてエネルギー分散型X線元素分析を行ったところ、Sr:La:Ti=0.98:0.02:1で構造体が形成されていることが判明した。 When the cross section of the laminate was observed with a scanning electron microscope, it was confirmed that the metal layer was periodically laminated with a thickness of about 95 μm and SrTiO 3 of about 5 μm. Further, when energy dispersive X-ray elemental analysis was performed on SrTiO 3 , it was found that a structure was formed with Sr: La: Ti = 0.98: 0.02: 1.
こうして得られた積層構造体に対して、ダイヤモンドカッターを用いた切削加工で積層周期に対して図3に示したように10°間隔の角度で傾斜をつけて平板状に切り出した。平板の厚みは1mmとし、幅3mmで長さ20mmの平板を0°から90°までの範囲の各傾斜角度(θ)に対して作製した。その後スパッタ法により長辺の両端にチタンを接着層として用いたチタン-金からなる電極を形成し、図1に示したような構造のデバイスを作製した。作製した試料に対して発電性能の評価を行った。 The laminated structure thus obtained was cut into a flat plate with an inclination of 10 ° intervals as shown in FIG. 3 by cutting using a diamond cutter as shown in FIG. The thickness of the flat plate was 1 mm, and a flat plate having a width of 3 mm and a length of 20 mm was prepared for each inclination angle (θ) in the range from 0 ° to 90 °. Thereafter, an electrode made of titanium-gold using titanium as an adhesive layer was formed on both ends of the long side by sputtering to produce a device having a structure as shown in FIG. The power generation performance was evaluated for the prepared samples.
図2に示すように平板デバイスの片側をヒータで150℃に加熱し、もう片側を水冷で30℃に冷却して端子間の起電圧と電気抵抗を測定した。銀箔を用いて20°傾斜させたデバイスの場合、起電圧135mVで抵抗は0.85mΩであった。これよりパワーファクターは250μW/cmK2と見積もられた。同様の手順で、各金属材料を用いた傾斜角度の異なるデバイスの性能を測定したところ、表1の結果となった。 As shown in FIG. 2, one side of the flat plate device was heated to 150 ° C. with a heater, the other side was cooled to 30 ° C. with water cooling, and the electromotive voltage and electrical resistance between the terminals were measured. In the case of a device tilted 20 ° using silver foil, the electromotive voltage was 135 mV and the resistance was 0.85 mΩ. From this, the power factor was estimated to be 250 μW / cmK 2 . When the performance of devices having different inclination angles using each metal material was measured in the same procedure, the results shown in Table 1 were obtained.
以上の結果から、各金属材料に関してほぼ共通に傾斜角度が5°〜60°の時に、現在実用化されているBi2Te3用いた素子の2倍程度以上の優れたデバイス特性が得られることが判った。特に金属材料として、銀あるいは銅を用いた場合、他の金属に比べて性能が高いことが確認された。 From the above results, when the inclination angle is 5 ° to 60 ° almost in common with each metal material, it is possible to obtain excellent device characteristics more than about twice as much as the elements using Bi 2 Te 3 which are currently in practical use. I understood. In particular, when silver or copper was used as the metal material, it was confirmed that the performance was higher than that of other metals.
(実施例2)
実施例1と同様の手法で、銀と銅の金属材料を用いて金属の厚みの異なる積層デバイスを構成した。傾斜角度は20°に固定し、金属箔の厚みを70μm、80μm、85μm、90μm、95μm、98μm、99μmと変化させて全体の積層周期が100μmとなるSrTiO3との積層構造を作製した。
(Example 2)
In the same manner as in Example 1, laminated devices having different metal thicknesses were configured using silver and copper metal materials. The inclination angle was fixed at 20 °, and the thickness of the metal foil was changed to 70 μm, 80 μm, 85 μm, 90 μm, 95 μm, 98 μm, and 99 μm to produce a laminated structure with SrTiO 3 with a total lamination period of 100 μm.
この際のSrTiO3の割合はそれぞれ30%、20%、15%、10%、5%、2%、1%である。20°の平板状に切り出して作製した厚み1mm、幅3mm、長さ20mmの熱発電デバイス素子のパワーファクターの測定結果は表2のようになった。SrTiO3の厚みの比により性能が左右され、5%付近で最も良い性能であることが確認された。またこの傾向は銀についても銅についても同じ傾向であった。 In this case, the ratios of SrTiO 3 are 30%, 20%, 15%, 10%, 5%, 2%, and 1%, respectively. Table 2 shows the measurement results of the power factor of a thermoelectric device element having a thickness of 1 mm, a width of 3 mm, and a length of 20 mm produced by cutting into a 20 ° flat plate. The performance was influenced by the ratio of the thickness of SrTiO 3 , and it was confirmed that the performance was the best around 5%. This tendency was the same for silver and copper.
(実施例3)
金属箔として20μmの銅箔を用い、実施例1と同様の手法で積層デバイスを構成した。20μmのCu箔の両面に、SrTiO3薄膜を0.125μmから4μmまで膜厚変化させて形成、加熱圧着し、その結果SrTiO3層厚が0.25μm、0.5μm、1μm、2μm、4μm、8μmのCu/SrTiO3積層構造を作製した。切り出し角度を5°から50°まで設定してデバイスを作製し、パワーファクターを測定したところ、表3の結果が得られた。
Example 3
A laminated device was constructed in the same manner as in Example 1 using a 20 μm copper foil as the metal foil. A SrTiO 3 thin film was formed on both sides of a 20 μm Cu foil while changing the film thickness from 0.125 μm to 4 μm, and thermocompression bonded. As a result, the SrTiO 3 layer thickness was 0.25 μm, 0.5 μm, 1 μm, 2 μm, 4 μm, An 8 μm Cu / SrTiO 3 laminated structure was produced. When the device was fabricated with the cut-out angle set from 5 ° to 50 ° and the power factor was measured, the results shown in Table 3 were obtained.
この結果、SrTiO3層厚に関して0.25μmから8μmの範囲で優れたデバイス性能が得られたことが確認された。これは全体の積層周期におけるCu:SrTiO3の比が99:1から70:30の範囲にある時に好ましい結果となることを示したものであり、特に20:1(SrTiO3層の割合が約5%)近傍の時に最も優れた性能が得られている。 As a result, it was confirmed that excellent device performance was obtained in the range of 0.25 μm to 8 μm with respect to the SrTiO 3 layer thickness. This shows that favorable results are obtained when the ratio of Cu: SrTiO 3 in the entire stacking cycle is in the range of 99: 1 to 70:30, especially 20: 1 (the ratio of SrTiO 3 layer is about 5%), the best performance is obtained.
この結果と実施例2の結果と併せて考えると、積層デバイスの性能は金属層の厚みやSrTiO3層の厚みの絶対値に依るのではなく、全体の積層周期におけるSrTiO3層の厚みの割合に依存していることが判る。また傾斜角度に関しては、5°から50°の範囲の中でも特に10°〜40°の際に150μW/cmK2を超えることが確認され、現在実用化されているBi2Te3用いた素子の3倍程度以上の高性能熱発電デバイス素子が実現した。 Taken together with this result with the results of Example 2, the performance of the laminated device rather than depend on the absolute value of the thickness and SrTiO3 layer thickness of the metal layer, the ratio of the thickness of the SrTiO 3 layer in the overall lamination period It turns out that it depends. Further, regarding the inclination angle, it was confirmed that it exceeded 150 μW / cmK 2 particularly in the range of 10 ° to 40 ° in the range of 5 ° to 50 °, and 3 of the elements using Bi 2 Te 3 which are currently in practical use. High-performance thermoelectric device elements more than doubled have been realized.
(実施例4)
実装面積をより広くし、さらに多くの発電量を得るために、金属42、接続電極43、取り出し電極44としてCuを用いた、図4に示したような熱発電デバイスを作製した。
Example 4
In order to increase the mounting area and obtain a larger amount of power generation, a thermoelectric power generation device as shown in FIG. 4 using Cu as the
CuとSrTiO3からなる積層体は実施例1と同様の手順で作製した。Cuが20μm厚でSrTiO3が1μm厚、すなわちCuとSrTiO3の積層方向の厚さの 比が100:5になるように積層体を構成し、かつ傾斜角は20°とした。積層体の 寸法は長さ50mm×幅3mm×厚さ0.5mmとしたものを合計15個作製した。また、接続電極43および取り出し電極44のCuは厚さ0.5mmの板を使用した 。
A laminate made of Cu and SrTiO 3 was produced in the same procedure as in Example 1. The laminate was configured so that Cu was 20 μm thick and SrTiO 3 was 1 μm thick, that is, the thickness ratio of Cu and SrTiO 3 in the stacking direction was 100: 5, and the tilt angle was 20 °. A total of 15 laminates with a length of 50 mm, a width of 3 mm, and a thickness of 0.5 mm were produced. In addition, a plate having a thickness of 0.5 mm was used as Cu for the
作製した15個の積層体をアルミナからなる支持体46上に1mm間隔で配列し、接続電極43および取り出し電極44は銀ペーストを用いて電気的に直列接続した。この際、熱流による起電力が相殺されないよう、図4に示したように隣り合う積層体の傾斜構造は互いに逆向きになるように配置し、約60mm×60mmの熱発電デバイスを作製した。取り出し電極44間の抵抗値を測定したところ、0.06Ωであった。
Fifteen produced laminates were arranged on a support 46 made of alumina at intervals of 1 mm, and the
以上の手順で作製した本実施例の熱発電デバイスの発電特性を評価した。支持体46を裏面から水冷し、低温部とした。本デバイスの他方の面に高温部となるセラミックヒーターを密着させた。このような構成で低温部を25℃、高温部を40℃に保持したところ、開放端起電力は1.2Vとなり、パワーファクターを見積もると239μW/cmK2という高い値が得られた。この結果、本デバイスから最大6Wの電力を取り出すことができた。 The power generation characteristics of the thermoelectric power generation device of this example produced by the above procedure were evaluated. The support 46 was cooled with water from the back surface to form a low temperature part. A ceramic heater serving as a high temperature part was adhered to the other surface of the device. When the low temperature part was kept at 25 ° C. and the high temperature part was kept at 40 ° C. in such a configuration, the open end electromotive force was 1.2 V, and a high value of 239 μW / cm K 2 was obtained when the power factor was estimated. As a result, a maximum of 6 W of power could be extracted from this device.
本発明にかかる熱発電デバイス素子は、優れた発電特性を有しており、自動車や工場から排出される排ガスなどの熱を用いた発電機として利用可能である。また、小型の携帯発電機などの用途にも応用できる。 The thermoelectric power generation device element according to the present invention has excellent power generation characteristics and can be used as a power generator using heat such as exhaust gas discharged from an automobile or a factory. It can also be applied to small portable generators.
11 第1電極
12 第2電極
13 積層体
14 SrTiO3層
15 金属層
16 層に平行な方向
17 電極の対向方向
18 温度勾配が生じる方向
21 熱発電デバイス素子
22 高温部
23 低温部
24 温度勾配が生じる方向
31 SrTiO3
32 金属
33 切り出し範囲
41 SrTiO3
42 金属
43 接続電極
44 取り出し電極
45 支持体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 1st electrode 12
32
42
Claims (9)
前記第1電極に対向する第2電極と、
前記第1電極および前記第2電極との間に挟まれ、かつ前記第1電極および前記第2電極のいずれにも電気的に接続された積層体とを具備し、
前記積層体は、SrTiO3層と金属層とが交互に積層されてなり、
前記SrTiO3層および前記金属層が、前記第1電極と前記第2電極とが対向する方向に対して角度θで傾斜しており、
前記角度θが10°以上40°以下であり、
前記金属層が、Al、Cu、Ag、またはAuからなり、
前記金属層の厚み:前記SrTiO 3 層の厚みの比が98:2から90:10までの範囲内にあり、
前記対向する方向に対して垂直方向に温度差を印加することによって、前記第1電極および前記第2電極を介して電力を取り出す、熱発電デバイス素子。 A first electrode;
A second electrode facing the first electrode;
A laminated body sandwiched between the first electrode and the second electrode and electrically connected to both the first electrode and the second electrode;
The laminate is formed by alternately laminating SrTiO 3 layers and metal layers,
The SrTiO 3 layer and the metal layer are inclined at an angle θ with respect to a direction in which the first electrode and the second electrode face each other;
The angle θ is 10 ° or more and 40 ° or less,
The metal layer is made of Al, Cu, Ag, or Au;
The ratio of the thickness of the metal layer to the thickness of the SrTiO 3 layer is in the range of 98: 2 to 90:10;
Wherein by applying a temperature difference in a direction perpendicular to the opposing direction, draws power through the first electrode and the second electrode, the heat generating device element.
前記第1電極に対向する第2電極と、
前記第1電極および前記第2電極との間に挟まれ、かつ前記第1電極および前記第2電極のいずれにも電気的に接続された積層体とを具備し、
前記積層体は、SrTiO3層と金属層とが交互に積層されてなり、
前記SrTiO3層および前記金属層が、前記第1電極と前記第2電極とが対向する方向に対して角度θで傾斜しており、
前記角度θが10°以上40°以下であり、
前記金属層が、Al、Cu、Ag、またはAuからなり、
前記金属層の厚み:前記SrTiO 3 層の厚みの比が98:2から90:10までの範囲内にあり、
前記対向する方向に対して垂直方向に温度差を印加することによって、前記第1電極および前記第2電極を介して電力を取り出す、熱発電デバイス素子の製造方法であって、前記製造方法は以下の工程を包含する:
SrTiO3層と金属層とを交互に積層してなる積層構造体を得る積層構造体形成工程、
前記積層構造体の積層方向に対して傾斜する面で前記積層構造体を切り出して前記積層体を得る積層体切り出し工程、
前記積層体に前記第1電極および前記第2電極を形成する電極形成工程。 A first electrode;
A second electrode facing the first electrode;
A laminated body sandwiched between the first electrode and the second electrode and electrically connected to both the first electrode and the second electrode;
The laminate is formed by alternately laminating SrTiO 3 layers and metal layers,
The SrTiO 3 layer and the metal layer are inclined at an angle θ with respect to a direction in which the first electrode and the second electrode face each other;
The angle θ is 10 ° or more and 40 ° or less,
The metal layer is made of Al, Cu, Ag, or Au;
The ratio of the thickness of the metal layer to the thickness of the SrTiO 3 layer is in the range of 98: 2 to 90:10;
By applying a temperature difference in a direction perpendicular to the direction of the opposite, it draws power through the first electrode and the second electrode, a manufacturing method of the thermoelectric device element, the manufacturing method below These steps include:
A laminated structure forming step of obtaining a laminated structure in which SrTiO 3 layers and metal layers are alternately laminated;
A laminate cutout step of obtaining the laminate by cutting out the laminate structure on a surface inclined with respect to the lamination direction of the laminate structure;
An electrode forming step of forming the first electrode and the second electrode on the laminate;
前記第1電極に対向する第2電極と、
前記第1電極および前記第2電極との間に挟まれ、かつ前記第1電極および前記第2電極のいずれにも電気的に接続された積層体とを具備し、
前記積層体は、SrTiO3層と金属層とが交互に積層されてなり、
前記SrTiO3層および前記金属層が、前記第1電極と前記第2電極とが対向する方向に対して角度θで傾斜しており、
前記角度θが10°以上40°以下であり、
前記金属層が、Al、Cu、Ag、またはAuからなり、
前記金属層の厚み:前記SrTiO 3 層の厚みの比が98:2から90:10までの範囲内にある熱発電デバイス素子から、前記第1電極および前記第2電極を介して電力を取り出す発電方法であって、前記発電方法は以下の工程を包含する:
前記対向する方向に対して垂直方向に温度差を印加する、温度差印加工程。 A first electrode;
A second electrode facing the first electrode;
A laminated body sandwiched between the first electrode and the second electrode and electrically connected to both the first electrode and the second electrode;
The laminate is formed by alternately laminating SrTiO 3 layers and metal layers,
The SrTiO 3 layer and the metal layer are inclined at an angle θ with respect to a direction in which the first electrode and the second electrode face each other;
The angle θ is 10 ° or more and 40 ° or less,
The metal layer is made of Al, Cu, Ag, or Au;
The thickness of the metal layer: the SrTiO 3 layer thickness ratio of 98: a heat generating device element in the range from 2 to 90:10, power draw power through the first electrode and the second electrode A power generation method comprising the following steps:
Applying a temperature difference in a direction perpendicular to the opposing direction;
ここで、前記各熱発電デバイス素子は、請求項1に係る熱発電デバイス素子であり、
隣接する2つの前記熱発電デバイス素子の一端を電気的に接続する各接続電極によって前記複数個の熱発電デバイス素子が電気的に直列に接続されており、
電気的に直列に接続されている前記複数個の熱発電デバイス素子の2つの終端には、それぞれ取り出し電極が接続されており、前記支持板の法線方向に沿って温度差が印加されることによって、前記取り出し電極を介して電力が取り出される、熱発電デバイス。 A support plate, and a plurality of thermoelectric device elements provided on the support plate,
Here, each of the thermoelectric generation device elements is a thermoelectric generation device element according to claim 1,
The plurality of thermoelectric generation device elements are electrically connected in series by each connection electrode that electrically connects one end of two adjacent thermoelectric generation device elements,
An extraction electrode is connected to each of the two ends of the plurality of thermoelectric device elements that are electrically connected in series, and a temperature difference is applied along the normal direction of the support plate. A thermoelectric power generation device in which electric power is extracted via the extraction electrode.
ここで、前記各熱発電デバイス素子は、請求項1に係る熱発電デバイス素子であり、
各熱発電デバイス素子の両端をそれぞれ電気的に接続する2つの取り出し電極によって前記複数個の熱発電デバイス素子が電気的に並列に接続されており、前記支持板の法線方向に沿って温度差が印加されることによって、前記取り出し電極を介して電力が取り出される、熱発電デバイス。
A support plate, and a plurality of thermoelectric device elements provided on the support plate,
Here, each of the thermoelectric generation device elements is a thermoelectric generation device element according to claim 1,
The plurality of thermoelectric device elements are electrically connected in parallel by two extraction electrodes that electrically connect both ends of each thermoelectric device element, and a temperature difference occurs along the normal direction of the support plate. A thermoelectric power generation device in which electric power is taken out through the take-out electrode by being applied.
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