JP5256560B2 - n-type zinc antimony compound thermoelectric semiconductor - Google Patents

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Description

本発明は、熱から電力に直接変換する熱電半導体材料に関し、特に、n型亜鉛アンチモン系化合物熱電半導体に関する。 The present invention relates to a thermoelectric semiconductor material that directly converts heat into electric power, and more particularly to an n-type zinc antimony compound thermoelectric semiconductor.

熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電半導体は、エネルギー変換材料として注目されている。   Thermoelectric semiconductors that convert thermal energy into electrical energy are attracting attention as energy conversion materials.

図5は、従来の熱電半導体を利用した、熱―電気変換装置(熱電発電モジュール)の構成と動作原理とを模式的に説明する説明図である。   FIG. 5 is an explanatory diagram schematically illustrating the configuration and operating principle of a thermo-electric conversion device (thermoelectric power generation module) using a conventional thermoelectric semiconductor.

この熱―電気変換装置(熱電発電モジュール)101は、p型熱電半導体102およびn型熱電半導体103が、高温側電極105と、低温側電極106に挟まれた構造を有する。   This thermoelectric conversion device (thermoelectric power generation module) 101 has a structure in which a p-type thermoelectric semiconductor 102 and an n-type thermoelectric semiconductor 103 are sandwiched between a high temperature side electrode 105 and a low temperature side electrode 106.

p型熱電半導体102およびn型熱電半導体103は、接合部107を介して高温側電極105に接合されている。   The p-type thermoelectric semiconductor 102 and the n-type thermoelectric semiconductor 103 are bonded to the high temperature side electrode 105 through the bonding portion 107.

また、p型熱電半導体102およびn型熱電導体チップ103は、接合部108を介して低温側電極106に接合されている。   Further, the p-type thermoelectric semiconductor 102 and the n-type thermoelectric chip 103 are joined to the low temperature side electrode 106 through the joint portion 108.

この熱−電気直接変換装置(熱電発電モジュール)101では、高温側電極105に熱H1が供給されると、熱H1は接合部107を介してp型熱電半導体102およびn型熱電半導体103に伝達され、p型熱電半導体102およびn型熱電半導体103を通過する熱流H2に沿って、p型熱電半導体102の内部では半導体キャリアである正孔110が、また、n型熱電半導体103の内部では半導体キャリアである電子111が、p型熱電半導体102又はn型熱電半導体103に接合部108を介して接合されている低温側電極106に向かって移動する。   In the thermo-electric direct conversion device (thermoelectric power generation module) 101, when heat H 1 is supplied to the high temperature side electrode 105, the heat H 1 is transmitted to the p-type thermoelectric semiconductor 102 and the n-type thermoelectric semiconductor 103 via the joint 107. Then, along the heat flow H 2 passing through the p-type thermoelectric semiconductor 102 and the n-type thermoelectric semiconductor 103, holes 110 that are semiconductor carriers are formed inside the p-type thermoelectric semiconductor 102, and semiconductors are formed inside the n-type thermoelectric semiconductor 103. The electrons 111 serving as carriers move toward the low-temperature side electrode 106 bonded to the p-type thermoelectric semiconductor 102 or the n-type thermoelectric semiconductor 103 via the bonding portion 108.

一方、半導体チップ102,103を通過する熱流Hfは、低温側電極106を通過して低温側電極から放出される熱H3となる。   On the other hand, the heat flow Hf that passes through the semiconductor chips 102 and 103 becomes heat H3 that passes through the low temperature side electrode 106 and is released from the low temperature side electrode.

そして、熱−電気直接変換装置(熱電発電モジュール)101の外部に、適当な電気的負荷113が、電流取出手段115を介して接続されている場合には、上記半導体キャリアの移動が、電流の流れIとして、熱−電気直接変換装置(熱電発電モジュール)101の外部に取出して、利用することができる。   When an appropriate electrical load 113 is connected to the outside of the thermo-electric direct conversion device (thermoelectric power generation module) 101 via the current extraction means 115, the movement of the semiconductor carrier As the flow I, it can be taken out of the thermo-electric direct conversion device (thermoelectric power generation module) 101 and used.

即ち、この熱―電気変換装置(熱電発電モジュール)101の熱電発電は、熱―電気変換装置(熱電発電モジュール)101の片側(高温側電極105)に熱を供給し、他方の低温度端から熱を放出させ、熱電半導体内部に還流する熱の一部を電気として取り出すことにより発電を行う発電方式である。   That is, the thermoelectric generation of the thermo-electric conversion device (thermoelectric generation module) 101 supplies heat to one side (high temperature side electrode 105) of the thermo-electric conversion device (thermoelectric generation module) 101, and from the other low temperature end. This is a power generation system that generates power by releasing heat and extracting a part of the heat returned to the thermoelectric semiconductor as electricity.

つまり、高温部で生成されたキャリア(p型では正孔、n型では電子)が低温側に拡散することで起電力を生じることにより発電を行う。熱電発電モジュールは、キャリアが異なるp型材料とn型材料が使用される。発電変換効率(エネルギー変換効率)ηは、各材料の性能を示す下式により決定される。   That is, power generation is performed by generating an electromotive force by diffusing carriers generated in the high temperature part (holes in the p-type and electrons in the n-type) to the low temperature side. Thermoelectric power generation modules use p-type materials and n-type materials with different carriers. The power generation conversion efficiency (energy conversion efficiency) η is determined by the following equation indicating the performance of each material.

ここでα、ρ、κはp型熱電半導体の温度差1Kあたりの起電力を示すゼーベック係数(V/k)、比抵抗(Ωm)、熱伝導率(W/mK)を示す。 α、ρ、κは、n型熱電半導体の温度差1Kあたりの起電力を示すゼーベック係数(V/K)、比抵抗(Ωm)、熱伝導率(W/mk)を示す。T、T、R、Rの各々は、高温端温度(K)、低温端温度(K)、外部負荷抵抗(Ω)、内部抵抗(Ω)を示す。 Here, α p , ρ p , and κ p represent the Seebeck coefficient (V / k), the specific resistance (Ωm), and the thermal conductivity (W / mK) indicating the electromotive force per 1 K temperature difference of the p-type thermoelectric semiconductor. α n , ρ n , and κ n represent a Seebeck coefficient (V / K), a specific resistance (Ωm), and a thermal conductivity (W / mk) indicating an electromotive force per 1 K temperature difference of the n-type thermoelectric semiconductor. Each T h, T c, R L , R e is hot end temperature (K), the cold end temperature (K), indicating the external load resistor (Omega), the internal resistance (Omega).

Zは、材料の性能指数(K-1)である。Zの値が高いほど、熱電発電のエネルギー変換効率ηは高くなる。そのため、高温端温度と低温端温度が決まれば、この材料の性能指数Zにより、この熱電発電のエネルギー変換効率ηが定まる。
ここで、熱電変換半導体材料の一つとして、亜鉛アンチモン系化合物(Zn−Sb、より具体的には、ZnSb、β−Zn4Sb3)が知られている。
Z is a material figure of merit (K −1 ). The higher the value of Z, the higher the energy conversion efficiency η of thermoelectric power generation. Therefore, if the high temperature end temperature and the low temperature end temperature are determined, the energy conversion efficiency η of the thermoelectric power generation is determined by the figure of merit Z of this material.
Here, zinc antimony compounds (Zn—Sb, more specifically, ZnSb, β-Zn 4 Sb 3 ) are known as one of thermoelectric conversion semiconductor materials.

図6は、p型熱電半導体の各種材料の熱電性能指数と温度の関係を示す相関関係図である。   FIG. 6 is a correlation diagram showing the relationship between thermoelectric figure of merit and temperature of various materials of p-type thermoelectric semiconductors.

亜鉛アンチモン系化合物(Zn−Sb)は、500Kから700Kの間で、他の材料と比較して高い性能指数Zを示しており、発電用材料として高いポテンシャルを有していることがわかる。   The zinc antimony compound (Zn—Sb) shows a high figure of merit Z in comparison with other materials between 500K and 700K, indicating that it has a high potential as a power generation material.

ところで、亜鉛アンチモン系化合物(Zn−Sb)のp型制御には、不純物元素を添加することが知られている。   By the way, it is known that an impurity element is added to the p-type control of the zinc antimony compound (Zn—Sb).

具体的には、p型亜鉛アンチモン系化合物(Zn−Sb)の製造には、Pb,Ga、Sn、Au、In、Te、Ag、Al等の不純物元素を添加することが知られている。(非特許文献1、特許文献1、2を参照。)
ところで、亜鉛アンチモン系化合物(Zn−Sb)のn型制御は、Teを添加すると得られることが報告されている。
Specifically, it is known to add an impurity element such as Pb, Ga, Sn, Au, In, Te, Ag, and Al for the production of the p-type zinc antimony compound (Zn—Sb). (See Non-Patent Document 1, Patent Documents 1 and 2.)
By the way, it has been reported that the n-type control of the zinc antimony compound (Zn—Sb) can be obtained by adding Te.

M. Telks, “Thermoelectric couple”, US Patent 2229482, Jan.21, 1941M. Telks, “Thermoelectric couple”, US Patent 2229482, Jan. 21, 1941 M. Telks, “Thermoelectric alloys”, US Patent 2366881, Jan.9, 1945M. Telks, “Thermoelectric alloys”, US Patent 2366881, Jan. 9, 1945 特開2005−277120号公報JP-A-2005-277120

N. L. Kostur and V. I. Psarev, ”Electrical properties of doped single crystals of ZnSb”, Soviet Physics Journal, Izvestiya VUZ. Fizika, vol.10, No.2, pp.39-43, 1967N. L. Kostur and V. I. Psarev, “Electrical properties of doped single crystals of ZnSb”, Soviet Physics Journal, Izvestiya VUZ. Fizika, vol.10, No.2, pp.39-43, 1967 A. Abou-Zeid and G. Scheider, “Te - Doped n-Type ZnSb”, phys. Stat. sol. (a) 6, K101 (1971)A. Abou-Zeid and G. Scheider, “Te-Doped n-Type ZnSb”, phys. Stat. Sol. (A) 6, K101 (1971)

しかしながら、Teは、p型亜鉛アンチモン系化合物(Zn−Sb)の製造の際の不純物にも利用されることから、Teを添加することで得られるとされている、n型亜鉛アンチモン系化合物(Zn−Sb)は、再現性に乏しく実用化に至っていない(非特許文献2を参照)。   However, since Te is also used as an impurity in the production of the p-type zinc antimony compound (Zn—Sb), it is said that it is obtained by adding Te, an n-type zinc antimony compound ( Zn—Sb) has poor reproducibility and has not been put into practical use (see Non-Patent Document 2).

そのため、p型熱電半導体として高い性能を有するp型亜鉛アンチモン系化合物(Zn−Sb)と、p型亜鉛アンチモン系化合物(Zn−Sb)とを用いて、図5に示すようなp・n型を対とする熱―電気変換装置(熱電発電モジュール)101を、熱電発電システムとして実用化することが困難であった。   Therefore, using a p-type zinc antimony compound (Zn-Sb) having high performance as a p-type thermoelectric semiconductor and a p-type zinc antimony compound (Zn-Sb), a pn type as shown in FIG. It is difficult to put the thermo-electric conversion device (thermoelectric power generation module) 101 having a pair into a practical use as a thermoelectric power generation system.

本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであって、Teに替わる亜鉛アンチモン系化合物(Zn−Sb)のn型不純物を添加した、n型亜鉛アンチモン系化合物を提供することを目的としている。   The present invention has been made to solve the above problems, and provides an n-type zinc antimony compound to which an n-type impurity of a zinc antimony compound (Zn-Sb) replacing Te is added. It is aimed.

本発明者は、長年、Teに替わる亜鉛アンチモン系化合物(Zn−Sb)のn型不純物の研究に鋭意努力した結果、亜鉛アンチモン系化合物(Zn−Sb)に不純物として、亜鉛アンチモン系化合物に溶融させることができる、Zn、GaN及びInNなどの窒化物を0.05at.%〜10.00at.%の範囲で添加することでn型半導体になることを見出した。 As a result of diligent efforts in researching n-type impurities of zinc antimony compounds (Zn-Sb) replacing Te for many years, the present inventors have melted zinc antimony compounds as impurities in zinc antimony compounds (Zn-Sb). Nitrides such as Zn 3 N 2 , GaN and InN can be added at 0.05 at. % To 10.00 at. It has been found that an n-type semiconductor is obtained by adding in the range of%.

即ち、請求項1に記載のn型亜鉛アンチモン系化合物熱電半導体は、熱を直接電力に変換する亜鉛アンチモン系化合物に、窒化物を添加した、n型亜鉛アンチモン系化合物熱電半導体であって、窒化物が、Zn 、GaN及びInNの群から選択される少なくとも一種である。
That is, the n-type zinc antimony compound thermoelectric semiconductor according to claim 1, zinc antimony compounds which converts heat directly into electricity and nitride were added, an n-type zinc antimony compound thermoelectric semiconductor, nitride The material is at least one selected from the group consisting of Zn 3 N 2 , GaN and InN.

ここで、本明細書で用いる用語、「亜鉛アンチモン系化合物」は、例えば、ZnSb、β−Zn4Sb3を意味する。 Here, the term “zinc antimony compound” used in the present specification means, for example, ZnSb, β-Zn 4 Sb 3 .

請求項に記載のn型亜鉛アンチモン系化合物熱電半導体は、請求項1に記載のn型亜鉛アンチモン系化合物熱電半導体の、窒化物を、0.05at.%以上10.00at.%以下の範囲で添加した。
N-type zinc antimony compound thermoelectric semiconductor according to claim 2, the n-type zinc antimony compound thermoelectric semiconductor according to claim 1, a nitride, 0.05 at. % Or more and 10.00 at. It added in the range below%.

ここで、亜鉛アンチモン系化合物に溶融させることができる、Zn、GaN及びInNからなる群から選択される少なくとも一種の窒化物を、亜鉛アンチモン系化合物に対し、0.05at.%以上10.00at.%以下の範囲で、添加するのは、亜鉛アンチモン系化合物に対し、Zn、GaN及びInNからなる群から選択される少なくとも一種の窒化物を、0.05at.%以下の量を添加した場合は、不純物の添加効果が得られないので好ましくない。一方、Zn、GaN及びInNからなる群から選択される少なくとも一種の窒化物を、10.00at.%を超える以上添加した場合は、添加した不純物により生成するキャリアの数が増えすぎて、ゼーベック係数が低下し、熱電性能Zが低下する悪影響が発生するので有効でない。 Here, at least one nitride selected from the group consisting of Zn 3 N 2 , GaN and InN, which can be melted into the zinc antimony compound, is added to the zinc antimony compound at 0.05 at. % Or more and 10.00 at. % Or less, the addition of at least one nitride selected from the group consisting of Zn 3 N 2 , GaN and InN to 0.05 at. It is not preferable to add an amount of less than or equal to% because the effect of adding impurities cannot be obtained. On the other hand, at least one nitride selected from the group consisting of Zn 3 N 2 , GaN and InN is 10.00 at. If more than% is added, the number of carriers generated due to the added impurities increases too much, and the Seebeck coefficient is lowered and the thermoelectric performance Z is adversely affected.

請求項に記載のn型亜鉛アンチモン系化合物熱電半導体は、請求項1又は請求項2に記載のn型亜鉛アンチモン系化合物熱電半導体の、亜鉛アンチモン系化合物が、ZnSb又はβ−Zn4Sb3である。

The n-type zinc antimony compound thermoelectric semiconductor according to claim 3 is an n-type zinc antimony compound thermoelectric semiconductor according to claim 1 or 2, wherein the zinc antimony compound is ZnSb or β-Zn 4 Sb 3. It is.

本発明により、Te以外の不純物により、n型亜鉛アンチモン系化合物(Zn−Sb)を製造できるようになったので、p型亜鉛アンチモン系化合物(Zn−Sb)と、p型亜鉛アンチモン系化合物(Zn−Sb)とを用いた、p・n型を対とする熱電発電システムとしてモジュール化することが可能となった結果、効率よく熱から電気エネルギーを得ることができる。   According to the present invention, an n-type zinc antimony compound (Zn-Sb) can be produced by impurities other than Te. Therefore, a p-type zinc antimony compound (Zn-Sb) and a p-type zinc antimony compound ( As a result, it is possible to modularize a pn type thermoelectric power generation system using Zn—Sb). As a result, electric energy can be efficiently obtained from heat.

本発明に係るn型亜鉛アンチモン系化合物熱電半導体の一例を製造する工程を概略的に示すフローチャートである。It is a flowchart which shows roughly the process of manufacturing an example of the n-type zinc antimony type compound thermoelectric semiconductor which concerns on this invention. 本発明に係るn型亜鉛アンチモン系化合物熱電半導体の他の一例を製造する工程を概略的に示すフローチャートである。It is a flowchart which shows roughly the process of manufacturing another example of the n-type zinc antimony type compound thermoelectric semiconductor which concerns on this invention. 本発明に係るn型亜鉛アンチモン系化合物熱電半導体の他の一例を製造する工程を概略的に示すフローチャートである。It is a flowchart which shows roughly the process of manufacturing another example of the n-type zinc antimony type compound thermoelectric semiconductor which concerns on this invention. 本発明に係るn型亜鉛アンチモン系化合物熱電半導体の他の一例を製造する工程を概略的に示すフローチャートである。It is a flowchart which shows roughly the process of manufacturing another example of the n-type zinc antimony type compound thermoelectric semiconductor which concerns on this invention. 従来の熱電半導体を利用した、熱―電気変換装置(熱電発電モジュール)の構成と動作原理とを模式的に示す説明図である。It is explanatory drawing which shows typically the structure and operating principle of the thermo-electric conversion apparatus (thermoelectric power generation module) using the conventional thermoelectric semiconductor. p型熱電半導体の各種材料の熱電性能指数と温度の関係を示す相関関係図である。It is a correlation diagram which shows the relationship between the thermoelectric figure of merit of various materials of a p-type thermoelectric semiconductor, and temperature.

以下、本発明に係るn型亜鉛アンチモン系化合物熱電半導体及びその製造方法を、図面を参照しながら、例示的に説明する。   Hereinafter, an n-type zinc antimony compound thermoelectric semiconductor and a method for producing the same according to the present invention will be exemplarily described with reference to the drawings.

図1は、本発明に係るn型亜鉛アンチモン系化合物熱電半導体の一例を製造する工程を概略的に示すフローチャートである。   FIG. 1 is a flowchart schematically showing a process for manufacturing an example of an n-type zinc antimony-based compound thermoelectric semiconductor according to the present invention.

まず、図1中、ステップS1に示すように、原材料をZnSbの化学量論組成に従う、50at.%Zn−50at.%Sbとなるよう秤量し、ZnSbに対して、さらに、Zn、GaN又はInNを、0.05at.%以上10.00at.%以下の範囲となるように秤量した。 First, as shown in step S1 in FIG. 1, the raw material is in accordance with the stoichiometric composition of ZnSb, 50 at. % Zn-50 at. % Sb and ZnSb is further added with Zn 3 N 2 , GaN or InN at 0.05 at. % Or more and 10.00 at. % So as to be in the range of not more than%.

また、Znを添加する場合、全体が、50at.%Zn−50at.%Sbに対して、Nのみ追加で添加できるように、Nの添加量(x)は、Zn1−xSb+xZnとした。 In addition, when Zn 3 N 2 is added, the whole is 50 at. % Zn-50 at. The addition amount (x) of N was set to Zn 1-x Sb + xZn 3 N 2 so that only N can be added to% Sb.

比較例1として、Zn、GaN、InNを添加しない、ZnSbの化学量論組成に従う、50at.%Zn−50at.%Sbとなるよう秤量したものを準備した。 As Comparative Example 1, according to the stoichiometric composition of ZnSb without adding Zn 3 N 2 , GaN, or InN, 50 at. % Zn-50 at. What weighed so that it might become% Sb was prepared.

尚、Zn、Sb、Zn2、GaN及びInNの各々の純度は、いずれも、99.99%以上(4N以上)であった。 The purity of each of Zn, Sb, Zn 3 N 2, GaN, and InN was 99.99% or higher (4N or higher).

また、原材料として用いる、Zn、Sb、Zn、GaN及びInNの各々として、粒径が、32μm以上3m以下の範囲のものを用いた。 In addition, each of Zn, Sb, Zn 3 N 2 , GaN, and InN used as a raw material had a particle size in the range of 32 μm to 3 m.

これは、原材料として用いる、Zn、Sb、Zn、GaN及びInNの各々の粒径を32μm未満とすると、Zn、Sb、Zn、GaN及びInNの各々の原材料の表面が酸化し、悪影響を及ぼすからである。一方、原材料として用いる、Zn、Sb、Zn、GaN及びInNの各々の粒径として、3mmを超えるものを用いた場合には、これらの材料を溶解する石英管に入れるのが難しくなるからである。 This is because when the particle sizes of Zn, Sb, Zn 3 N 2 , GaN and InN used as raw materials are less than 32 μm, the surfaces of the raw materials of Zn, Sb, Zn 3 N 2 , GaN and InN are oxidized. This is because it has an adverse effect. On the other hand, when the particle diameters of Zn, Sb, Zn 3 N 2 , GaN, and InN used as raw materials exceed 3 mm, it is difficult to put these materials in a quartz tube that dissolves them. Because.

次に、図1中、ステップS2に示すように、秤量した原材料を石英管に入れ真空封入した。   Next, as shown in step S2 in FIG. 1, the weighed raw materials were put in a quartz tube and vacuum-sealed.

次に、650℃で5時間(h)溶解した後、包晶反応を完了させるために熱処理(450℃で100時間(h))を施した。   Next, after dissolving at 650 ° C. for 5 hours (h), heat treatment (450 ° C. for 100 hours (h)) was performed to complete the peritectic reaction.

次に、得られた試料が、p型かn型かのいずれであるかを判別するために、温度差1Kあたりの起電力を示すゼーベック係数の測定を行った。   Next, in order to determine whether the obtained sample was p-type or n-type, the Seebeck coefficient indicating the electromotive force per 1 K of temperature difference was measured.

ここに、ゼーベック係数が正の場合がp型で、負の場合がn型である。   Here, the case where the Seebeck coefficient is positive is p-type, and the case where it is negative is n-type.

ゼーベック係数の測定においては、常温付近で試料の両端にヒーターをつけ、両端の温度差Tが、0K又は概ね0Kになった時の起電力Vをバックグラウンドとして測定し、次に両端に温度差Tとして、3K又は概ね3Kを与えた時の起電力Vを測定し、以下の式より算出した。 In the measurement of the Seebeck coefficient, heaters are attached to both ends of the sample near room temperature, and the electromotive force V 0 when the temperature difference T 0 between both ends becomes 0K or approximately 0K is measured as the background. The electromotive force V when 3K or approximately 3K was applied as the temperature difference T was measured and calculated from the following equation.

尚、得られた亜鉛アンチモン系化合物のゼーベック係数は、製品名・型番:「Resitest8300」(東陽テクニカ(株)製)を用いて測定した。 In addition, the Seebeck coefficient of the obtained zinc antimony compound was measured using a product name / model number: “Retestest 8300” (manufactured by Toyo Technica Co., Ltd.).

得られた亜鉛アンチモン系化合物の組成とゼーベック係数とを、表1に示す。   Table 1 shows the composition and Seebeck coefficient of the obtained zinc antimony compound.

表1に示す結果の通り、ゼーベック係数が負となるn型亜鉛アンチモン系化合物(ZnSb)を得ることができた。 As shown in Table 1, an n-type zinc antimony compound (ZnSb) having a negative Seebeck coefficient could be obtained.

また、亜鉛アンチモン系化合物(ZnSb)に対し、Zn、GaN及びInNからなる群から選択される少なくとも一種の窒化物の添加量を、種々、変えて、実験した結果、亜鉛アンチモン系化合物(ZnSb)に対し、Zn、GaN及びInNからなる群から選択される少なくとも一種の窒化物を、0.05at.%以下の量を添加した場合は、不純物の添加効果が得られないので好ましくなく、一方、Zn、GaN及びInNからなる群から選択される少なくとも一種の窒化物を、10.00at.%を超える以上添加した場合は、添加した不純物により生成するキャリアの数が増えすぎて、ゼーベック係数が低下し、熱電性能Zが低下する悪影響が発生するので有効でない、ということが明らかになった。 In addition, as a result of experimentation with various addition amounts of at least one nitride selected from the group consisting of Zn 3 N 2 , GaN and InN with respect to zinc antimony compound (ZnSb), as a result of experiment, zinc antimony compound (ZnSb) with at least one nitride selected from the group consisting of Zn 3 N 2 , GaN, and InN at 0.05 at. % Is not preferable because the effect of adding impurities cannot be obtained. On the other hand, at least one nitride selected from the group consisting of Zn 3 N 2 , GaN and InN is added at 10.00 at. It has been clarified that the addition of more than% exceeds the number of carriers generated by the added impurities, the Seebeck coefficient is lowered, and the thermoelectric performance Z is adversely affected. .

図2は、本発明に係るn型亜鉛アンチモン系化合物熱電半導体の他の一例を製造する工程を概略的に示すフローチャートである。   FIG. 2 is a flowchart schematically showing a process for manufacturing another example of the n-type zinc antimony compound thermoelectric semiconductor according to the present invention.

まず、図2中、ステップS11に示すように、原材料をZnSbの化学量論組成に従うように、57.14at.%Zn−42.86at.%Sbとなるよう秤量し、さらに、ZnSbに対して、Zn、GaN又はInNを、0.51at.%以上10.00at.%の範囲となるように秤量した。 First, as shown in step S11 in FIG. 2, the raw material is 57.14 at. So as to follow the stoichiometric composition of Zn 4 Sb 3 . % Zn-42.86 at. % Sb, and Zn 3 N 2 , GaN or InN is added to Zn 4 Sb 3 at 0.51 at. % Or more and 10.00 at. %.

また、Znを添加する場合、全体が、57.14at.%Zn−42.86at.%Sbに対して、Nのみ追加で添加できるように、Nの添加量(x)は、Zn4−xSb+xZnとした
比較例2として、Zn、GaN、InNを添加しない、ZnSbの化学量論組成に従う、50at.%Zn−50at.%Sbとなるよう秤量したものを準備した。
Also, when adding Zn 3 N 2, whole, 57.14At. % Zn-42.86 at. The amount of addition (x) of N was set to Zn 4-x Sb 3 + xZn 3 N 2 so that only N can be added to% Sb. As Comparative Example 2, Zn 3 N 2 , GaN, and InN were added. No addition, according to ZnSb stoichiometric composition, 50 at. % Zn-50 at. What weighed so that it might become% Sb was prepared.

尚、各材料の純度は、99.99%以上(4N以上)であった。   The purity of each material was 99.99% or higher (4N or higher).

また、原材料として用いる、Zn、Sb、Zn、GaN及びInNの各々として、粒径が、32μm以上3m以下の範囲のものを用いた。 In addition, each of Zn, Sb, Zn 3 N 2 , GaN, and InN used as a raw material had a particle size in the range of 32 μm to 3 m.

これは、原材料として用いる、Zn、Sb、Zn、GaN及びInNの各々の粒径を32μm未満とすると、Zn、Sb、Zn、GaN及びInNの各々の原材料の表面が酸化し、悪影響を及ぼすからである。一方、原材料として用いる、Zn、Sb、Zn、GaN及びInNの各々の粒径として、3mmを超えるものを用いた場合には、これらの材料を溶解する石英管に入れるのが難しくなるからである。 This is because when the particle sizes of Zn, Sb, Zn 3 N 2 , GaN and InN used as raw materials are less than 32 μm, the surfaces of the raw materials of Zn, Sb, Zn 3 N 2 , GaN and InN are oxidized. This is because it has an adverse effect. On the other hand, when the particle diameters of Zn, Sb, Zn 3 N 2 , GaN, and InN used as raw materials exceed 3 mm, it is difficult to put these materials in a quartz tube that dissolves them. Because.

また、Znを添加する場合、全体が、57.14at.%Zn−42.86at.%Sbに対して、Nのみ追加で添加できるように、Nの添加量(x)は、Zn4−xSb+xZnとした。 Also, when adding Zn 3 N 2, whole, 57.14At. % Zn-42.86 at. The addition amount (x) of N was set to Zn 4−x Sb + xZn 3 N 2 so that only N can be added to% Sb.

次に、図2中、ステップS12に示すように、秤量した原材料を石英管に入れ、真空封入した。   Next, as shown in step S12 in FIG. 2, the weighed raw materials were put in a quartz tube and vacuum sealed.

次に、650℃で5時間(h)溶解した後、包晶反応を完了させるために、熱処理(450℃で100時間(h)、及び、その後、400℃で100時間(h))を施した。   Next, after dissolving at 650 ° C. for 5 hours (h), heat treatment (450 ° C. for 100 hours (h) and then 400 ° C. for 100 hours (h)) is performed to complete the peritectic reaction. did.

次に。得られた試料が、p型かn型かのいずれであるかを判別するために、温度差1Kあたりの起電力を示すゼーベック係数の測定を行った。   next. In order to determine whether the obtained sample was p-type or n-type, the Seebeck coefficient indicating the electromotive force per 1 K of temperature difference was measured.

ここに、ゼーベック係数が正の場合がp型で、負の場合がn型である。   Here, the case where the Seebeck coefficient is positive is p-type, and the case where it is negative is n-type.

尚、得られた亜鉛アンチモン系化合物のゼーベック係数は、実施例1と同様に、製品名・型番:「Resitest8300」(東陽テクニカ(株)製)を用いて測定した。   The Seebeck coefficient of the obtained zinc antimony compound was measured in the same manner as in Example 1 using the product name / model number: “Retestest 8300” (manufactured by Toyo Technica Co., Ltd.).

得られた亜鉛アンチモン系化合物の組成とゼーベック係数とを、表2に示す。   Table 2 shows the composition and Seebeck coefficient of the obtained zinc antimony compound.

表2に示す結果の通り、ゼーベック係数が負となる、n型亜鉛アンチモン系化合物(β−Zn4Sb3)を得ることができた。 As a result shown in Table 2, an n-type zinc antimony compound (β-Zn 4 Sb 3 ) having a negative Seebeck coefficient could be obtained.

また、亜鉛アンチモン系化合物(ZnSb)に対し、Zn、GaN及びInNからなる群から選択される少なくとも一種の窒化物の添加量を、種々、変えて、実験した結果、亜鉛アンチモン系化合物(ZnSb)に対し、Zn、GaN及びInNからなる群から選択される少なくとも一種の窒化物を、0.05at.%以下の量を添加した場合は、不純物の添加効果が得られないので好ましくなく、一方、Zn、GaN及びInNからなる群から選択される少なくとも一種の窒化物を、10.00at.%を超える以上添加した場合は、添加した不純物により生成するキャリアの数が増えすぎて、ゼーベック係数が低下し、熱電性能Zが低下する悪影響が発生するので有効でない、ということが明らかになった。 In addition, as a result of an experiment in which the addition amount of at least one nitride selected from the group consisting of Zn 3 N 2 , GaN and InN was variously changed with respect to the zinc antimony compound (Zn 4 Sb 3 ), With respect to the antimony compound (Zn 4 Sb 3 ), at least one nitride selected from the group consisting of Zn 3 N 2 , GaN and InN is added at 0.05 at. % Is not preferable because the effect of adding impurities cannot be obtained. On the other hand, at least one nitride selected from the group consisting of Zn 3 N 2 , GaN and InN is added at 10.00 at. It has been clarified that the addition of more than% exceeds the number of carriers generated by the added impurities, the Seebeck coefficient is lowered, and the thermoelectric performance Z is adversely affected. .

図3は、本発明に係るn型亜鉛アンチモン系化合物熱電半導体の他の一例を製造する工程を概略的に示すフローチャートである。   FIG. 3 is a flowchart schematically showing a process of manufacturing another example of the n-type zinc antimony compound thermoelectric semiconductor according to the present invention.

まず、図3中、ステップS21に示すように、原材料をZnSbの化学量論組成に従うように、50at.%Zn−50at.%Sbとなるよう秤量した。   First, as shown in step S21 in FIG. 3, the raw material is set to 50 at. So as to follow the stoichiometric composition of ZnSb. % Zn-50 at. Weighed to be% Sb.

また、比較例3として、Zn、GaN、InNを添加しない、ZnSbの化学量論組成に従う、50at.%Zn−50at.%Sbとなるよう秤量したものを準備した。 Further, as Comparative Example 3, according to the stoichiometric composition of ZnSb without adding Zn 3 N 2 , GaN, or InN, 50 at. % Zn-50 at. What weighed so that it might become% Sb was prepared.

尚、各材料の純度は、99.99%以上(4N以上)であった。   The purity of each material was 99.99% or higher (4N or higher).

また、原材料として用いる、Zn、Sb、Zn、GaN及びInNの各々として、粒径が、32μm以上3m以下の範囲のものを用いた。 In addition, each of Zn, Sb, Zn 3 N 2 , GaN, and InN used as a raw material had a particle size in the range of 32 μm to 3 m.

これは、原材料として用いる、Zn、Sb、Zn、GaN及びInNの各々の粒径を32μm未満とすると、Zn、Sb、Zn、GaN及びInNの各々の原材料の表面が酸化し、悪影響を及ぼすからである。一方、原材料として用いる、Zn、Sb、Zn、GaN及びInNの各々の粒径として、3mmを超えるものを用いた場合には、これらの材料を溶解する石英管に入れるのが難しくなるからである。 This is because when the particle sizes of Zn, Sb, Zn 3 N 2 , GaN and InN used as raw materials are less than 32 μm, the surfaces of the raw materials of Zn, Sb, Zn 3 N 2 , GaN and InN are oxidized. This is because it has an adverse effect. On the other hand, when the particle diameters of Zn, Sb, Zn 3 N 2 , GaN, and InN used as raw materials exceed 3 mm, it is difficult to put these materials in a quartz tube that dissolves them. Because.

また、Znを添加する場合、全体が、50at.%Zn−50at.%Sbになるようにして、Nのみの追加で添加できるように、Nの添加量(x)は、Zn1−xSb+xZnとした。 In addition, when Zn 3 N 2 is added, the whole is 50 at. % Zn-50 at. The added amount (x) of N was set to Zn 1-x Sb + xZn 3 N 2 so that it could be added by adding only N so as to be% Sb.

次に、図3中、ステップS22に示すように、秤量した原材料を石英管に入れ真空封入した。   Next, as shown in step S22 in FIG. 3, the weighed raw materials were put in a quartz tube and vacuum-sealed.

次に、650℃で5時間(h)溶解した後、包晶反応を完了させるために熱処理(450℃で100時間(h))を施した。   Next, after dissolving at 650 ° C. for 5 hours (h), heat treatment (450 ° C. for 100 hours (h)) was performed to complete the peritectic reaction.

次に、図3中、ステップS23に示すように、熱処理を施したZnSbに対して、さらに、Zn、GaN又はInNを0.01at.%〜4.00at.%の範囲となるように秤量した。 Next, as shown in step S23 in FIG. 3, Zn 3 N 2 , GaN, or InN is further added to 0.01 at. % To 4.00 at. %.

次に、アルゴン雰囲気中で、ZnSbと、Zn、GaN又はInNを粉砕容器に投入し、遊星ボールミルで30時間(h)粉砕し、メカニカルアロイング処理を行った。粉砕ボールは、窒化珪素セラミックスボールを使用した。粉砕ボールと、ZnSbと、Zn、GaN又はInNとの重量比は、20:1とした。 Next, in an argon atmosphere, ZnSb and Zn 3 N 2 , GaN or InN were put into a pulverization vessel, and pulverized for 30 hours (h) with a planetary ball mill, and mechanical alloying treatment was performed. Silicon nitride ceramic balls were used as the grinding balls. The weight ratio of the pulverized ball, ZnSb, and Zn 3 N 2 , GaN, or InN was 20: 1.

次に、図3中、ステップS23に示す工程において、アルゴン雰囲気中で、ZnSbと、Zn、GaN又はInNを粉砕容器に投入し、遊星ボールミルで30時間(h)粉砕した後、粉砕物を、目開き100μmのふるいで分級を行って粉体を得た(図3中、ステップS24を参照)。 Next, in the process shown in Step S23 in FIG. 3, ZnSb and Zn 3 N 2 , GaN or InN are put in a pulverization container in an argon atmosphere, and pulverized for 30 hours (h) with a planetary ball mill. The product was classified with a sieve having an opening of 100 μm to obtain a powder (see step S24 in FIG. 3).

次に、図3中、ステップS25に示すように、ステップS23に示す工程により得られた粉体に、ホットプレスを行い、焼結体を得た。焼結金型は炭素で、温度400℃で圧力39MPaの条件で、1時間ホットプレスを行った。   Next, as shown in Step S25 in FIG. 3, the powder obtained by the process shown in Step S23 was hot pressed to obtain a sintered body. The sintered mold was carbon, and hot pressing was performed for 1 hour at a temperature of 400 ° C. and a pressure of 39 MPa.

次に。得られた試料が、p型かn型かのいずれであるかを判別するために、温度差1Kあたりの起電力を示すゼーベック係数の測定を行った。   next. In order to determine whether the obtained sample was p-type or n-type, the Seebeck coefficient indicating the electromotive force per 1 K of temperature difference was measured.

ここに、ゼーベック係数が正の場合がp型で、負の場合がn型である。   Here, the case where the Seebeck coefficient is positive is p-type, and the case where it is negative is n-type.

尚、得られた亜鉛アンチモン系化合物のゼーベック係数は、実施例1と同様に、製品名・型番:「Resitest8300」(東陽テクニカ(株)製)を用いて測定した。   The Seebeck coefficient of the obtained zinc antimony compound was measured in the same manner as in Example 1 using the product name / model number: “Retestest 8300” (manufactured by Toyo Technica Co., Ltd.).

得られた亜鉛アンチモン系化合物の組成とゼーベック係数を、表3に示す。   Table 3 shows the composition and Seebeck coefficient of the obtained zinc antimony compound.

また、図4は、本発明に係るn型亜鉛アンチモン系化合物熱電半導体の他の一例を製造する工程を概略的に示すフローチャートである。   FIG. 4 is a flowchart schematically showing a process for manufacturing another example of the n-type zinc antimony-based compound thermoelectric semiconductor according to the present invention.

まず、図4中、ステップS31に示すように、原材料をZnSbの化学量論組成に従うように、57.14at.%Zn−42.86at.%Sbとなるよう秤量した。 First, as shown in step S31 in FIG. 4, the raw material is 57.14 at. So as to follow the stoichiometric composition of Zn 4 Sb 3 . % Zn-42.86 at. Weighed to be% Sb.

また、比較例4として、Zn、GaN、InNを添加しない、ZnSb化学量論組成に従う、57.14at.%Zn−42.86at.%Sbとなるよう秤量したものを準備した。 Further, as Comparative Example 4, according to the Zn 4 Sb 3 stoichiometric composition without adding Zn 3 N 2 , GaN and InN, 57.14 at. % Zn-42.86 at. What weighed so that it might become% Sb was prepared.

尚、各材料の純度は、99.99%以上(4N以上)であった。   The purity of each material was 99.99% or higher (4N or higher).

また、原材料として用いる、Zn、Sb、Zn、GaN及びInNの各々として、粒径が、32μm以上3m以下の範囲のものを用いた。 In addition, each of Zn, Sb, Zn 3 N 2 , GaN, and InN used as a raw material had a particle size in the range of 32 μm to 3 m.

これは、原材料として用いる、Zn、Sb、Zn、GaN及びInNの各々の粒径を32μm未満とすると、Zn、Sb、Zn、GaN及びInNの各々の原材料の表面が酸化し、悪影響を及ぼすからである。一方、原材料として用いる、Zn、Sb、Zn、GaN及びInNの各々の粒径として、3mmを超えるものを用いた場合には、これらの材料を溶解する石英管に入れるのが難しくなるからである。 This is because when the particle sizes of Zn, Sb, Zn 3 N 2 , GaN and InN used as raw materials are less than 32 μm, the surfaces of the raw materials of Zn, Sb, Zn 3 N 2 , GaN and InN are oxidized. This is because it has an adverse effect. On the other hand, when the particle diameters of Zn, Sb, Zn 3 N 2 , GaN, and InN used as raw materials exceed 3 mm, it is difficult to put these materials in a quartz tube that dissolves them. Because.

また、Znを添加する場合、全体が、57.14at.%Zn−42.86at.%Sbに対して、Nのみ追加で添加できるように、Nの添加量(x)は、Zn4−xSb+xZnとした。 Also, when adding Zn 3 N 2, whole, 57.14At. % Zn-42.86 at. The addition amount (x) of N was set to Zn 4−x Sb 3 + xZn 3 N 2 so that only N can be added to% Sb.

次に、図4中、ステップS32に示すように、秤量した原材料石英管に入れ真空封入した。   Next, as shown in step S32 in FIG. 4, it was placed in a weighed raw material quartz tube and vacuum-sealed.

次に、650℃で5時間(h)溶解した後、包晶反応を完了させるために熱処理(45
0℃で100時間(h)及びその後、400℃で100時間(h))を施した。
Next, after dissolving at 650 ° C. for 5 hours (h), heat treatment (45
100 hours (h) at 0 ° C and then 100 hours (h) at 400 ° C.

次に、図4中、ステップS33に示すように、熱処理を施したZnSbに対して、さらに、Zn、GaN又はInNを、0.01at.%〜4.00at.%%の範囲となるように秤量した。アルゴン雰囲気中で、ZnSbと、Zn、GaN又はInNを粉砕容器に投入し、遊星ボールミルで30時間(h)粉砕し、メカニカルアロイング処理を行った。粉砕ボールは、窒化珪素セラミックスボールを使用した。粉砕ボールと、ZnSbと、Zn、GaN又はInNとの重量比は、20:1した。 Next, in FIG. 4, as shown in step S33, with respect to Zn 4 Sb 3 that has been subjected to the heat treatment, further, the Zn 3 N 2, GaN or InN, 0.01 at. % To 4.00 at. Weighed so as to be in the range of %%. In an argon atmosphere, Zn 4 Sb 3 and Zn 3 N 2 , GaN or InN were put into a pulverization vessel, and pulverized with a planetary ball mill for 30 hours (h) to perform mechanical alloying treatment. Silicon nitride ceramic balls were used as the grinding balls. The weight ratio of pulverized balls, Zn 4 Sb 3 , Zn 3 N 2 , GaN or InN was 20: 1.

図4中、ステップ33に示す工程において、アルゴン雰囲気中で、ZnSbと、Zn、GaN又はInNを粉砕容器に投入し、遊星ボールミルで30時間(h)粉砕した後、図4中、ステップ32に示す工程において、粉砕物を、目開き100μmのふるいで分級を行って粉体を得た((図4中。ステップS34を参照)。 In FIG. 4, in the step shown in Step 33, Zn 4 Sb 3 and Zn 3 N 2 , GaN or InN are put in a pulverization vessel in an argon atmosphere and pulverized for 30 hours (h) by a planetary ball mill. 4, the pulverized product was classified with a sieve having an opening of 100 μm in the step shown in Step 32 to obtain powder (in FIG. 4, refer to Step S34).

次に、図4中、ステップS35に示すように、ステップS34に示す工程により得られた粉体に、ホットプレスを行い、焼結体を得た。焼結金型は炭素で、温度400℃で圧力39MPaの条件で、1時間ホットプレスを行った。   Next, as shown in step S35 in FIG. 4, the powder obtained by the process shown in step S34 was hot pressed to obtain a sintered body. The sintered mold was carbon, and hot pressing was performed for 1 hour at a temperature of 400 ° C. and a pressure of 39 MPa.

次に。得られた試料が、p型かn型かのいずれであるかを判別するために、温度差1Kあたりの起電力を示すゼーベック係数の測定を行った。   next. In order to determine whether the obtained sample was p-type or n-type, the Seebeck coefficient indicating the electromotive force per 1 K of temperature difference was measured.

ここに、ゼーベック係数が正の場合がp型で、負の場合がn型である。   Here, the case where the Seebeck coefficient is positive is p-type, and the case where it is negative is n-type.

尚、得られた亜鉛アンチモン系化合物のゼーベック係数は、実施例1と同様に、製品名・型番:「Resitest8300」(東陽テクニカ(株)製)を用いて測定した。   The Seebeck coefficient of the obtained zinc antimony compound was measured in the same manner as in Example 1 using the product name / model number: “Retestest 8300” (manufactured by Toyo Technica Co., Ltd.).

得られた亜鉛アンチモン系化合物のゼーベック係数を表3に示す。   Table 3 shows the Seebeck coefficient of the obtained zinc antimony compound.

表3に示す結果の通り、ゼーベック係数が負となる亜鉛アンチモン系化合物(ZnSb、β−ZnSb)を得ることができた。 As shown in Table 3, zinc antimony compounds (ZnSb, β-Zn 4 Sb 3 ) having a negative Seebeck coefficient could be obtained.

また、亜鉛アンチモン系化合物(ZnSb又はZnSb)に対し、Zn、GaN及びInNからなる群から選択される少なくとも一種の窒化物の添加量を、種々、変えて、実験した結果、亜鉛アンチモン系化合物(ZnSb又はZnSb)に対し、Zn、GaN及びInNからなる群から選択される少なくとも一種の窒化物を、0.05at.%以下の量を添加した場合は、不純物の添加効果が得られないので好ましくなく、一方、Zn、GaN及びInNからなる群から選択される少なくとも一種の窒化物を、10.00at.%を超える以上添加した場合は、添加した不純物により生成するキャリアの数が増えすぎて、ゼーベック係数が低下し、熱電性能Zが低下する悪影響が発生するので有効でない、ということが明らかになった。 In addition, with respect to the zinc antimony-based compound (ZnSb or Zn 4 Sb 3 ), the results of experiments with various amounts of addition of at least one nitride selected from the group consisting of Zn 3 N 2 , GaN and InN being varied In addition, at least one nitride selected from the group consisting of Zn 3 N 2 , GaN and InN is added to the zinc antimony compound (ZnSb or Zn 4 Sb 3 ) at 0.05 at. % Is not preferable because the effect of adding impurities cannot be obtained. On the other hand, at least one nitride selected from the group consisting of Zn 3 N 2 , GaN and InN is added at 10.00 at. It has been clarified that the addition of more than% exceeds the number of carriers generated by the added impurities, the Seebeck coefficient is lowered, and the thermoelectric performance Z is adversely affected. .

また、実施例3により、実施例1、2の溶解法と同様のゼーベック係数が負となる特性を有する、n型亜鉛アンチモン系化合物(ZnSb、β−ZnSb)をメカニカルアロイング法によっても得られることが明らかになった。 In addition, according to Example 3, an n-type zinc antimony compound (ZnSb, β-Zn 4 Sb 3 ) having a characteristic that the Seebeck coefficient is negative as in the dissolution methods of Examples 1 and 2 is obtained by a mechanical alloying method. It was revealed that

本発明により、p・n型を対とする熱電発電システムとしてモジュール化することが可能となり、効率よく熱から電気エネルギーを得ることができるとともに新しいエネルギー回収産業創出に寄与できる。   According to the present invention, it becomes possible to modularize a p-n type thermoelectric power generation system, which can efficiently obtain electric energy from heat and contribute to the creation of a new energy recovery industry.

101 熱−電気直接変換装置(熱電発電モジュール)
102 p型熱電半導体
103 n型熱電半導体
105 高温側電極
106 低温側電極
107、108 接合部
110 正孔
111 電子
113 電気的負荷
101 Heat-electricity direct conversion device (thermoelectric power generation module)
102 p-type thermoelectric semiconductor 103 n-type thermoelectric semiconductor 105 high-temperature side electrode 106 low-temperature side electrode 107, 108 junction 110 hole 111 electron 113 electrical load

Claims (3)

熱を直接電力に変換する亜鉛アンチモン系化合物に、窒化物を添加した、n型亜鉛アンチモン系化合物熱電半導体であって、前記窒化物が、Zn 、GaN及びInNの群から選択される少なくとも一種である、n型亜鉛アンチモン系化合物熱電半導体。 An n-type zinc antimony compound thermoelectric semiconductor in which a nitride is added to a zinc antimony compound that directly converts heat into electric power , wherein the nitride is selected from the group of Zn 3 N 2 , GaN, and InN An n-type zinc antimony-based compound thermoelectric semiconductor that is at least one type . 前記窒化物を、0.05at.%以上10.00at.%以下の範囲で添加した、請求項1に記載のn型亜鉛アンチモン系化合物熱電半導体。 The nitride is added at 0.05 at. % Or more and 10.00 at. % Were added in the following ranges, n-type zinc antimony compound thermoelectric semiconductor according to claim 1. 亜鉛アンチモン系化合物が、ZnSb又はβ−Zn4Sb3である、請求項1又は2に記載のn型亜鉛アンチモン系化合物熱電半導体。
The n-type zinc antimony compound thermoelectric semiconductor according to claim 1 or 2 , wherein the zinc antimony compound is ZnSb or β-Zn 4 Sb 3 .
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