JP5537688B2 - 新規な熱電材料及びその製造方法、並びにそれを用いた熱電部品 - Google Patents

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Description

本発明は、熱電変換材料及びその製造方法、並びにそれを用いた熱電変換素子に関する。
熱電変換発電や熱電変換冷却などに熱電変換素子が使用される。例えば、熱電変換発電は、熱電変換素子に温度差を与えることで発生する熱起電力を用いて熱エネルギーを電気エネルギーに変換させる発電の形態である。
熱電変換素子のエネルギー変換効率は、熱電変換材料のゼーベック(Seebeck)係数、電気伝導度、及び熱伝導度によって決定される。より具体的に、熱電変換材料の熱電変換性能はゼーベック係数の二乗及び電気伝導度に比例し、熱伝導度に反比例する。したがって、熱電変換素子のエネルギー変換効率を高めるためには、ゼーベック係数または電気伝導度が高いか又は熱伝導度が低い熱電変換材料の開発が必要である。
本発明は、熱電変換性能が良好な熱電変換材料を提供することを目的とする。
また、本発明は、前記熱電変換材料の製造方法を提供することを他の目的とする。
さらに、本発明は、前記熱電変換材料を用いる熱電変換素子を提供することをさらに他の目的とする。
本発明者等は、熱電変換材料について鋭意研究したところ、下記化学式1で表される化合物半導体の合成に成功し、この化合物を熱電変換素子の熱電変換材料として使用できることを確認し、本発明の完成に至った。
Figure 0005537688
化学式1において、0≦x<1、0≦y<1、0≦z<1及びx+y+z>0である。
また、化学式1のx、y及びzは、それぞれ0≦x≦0.5、0≦y≦0.5及び0≦z≦0.5であることが望ましく、それぞれ0≦x≦0.2、0≦y≦0.2及び0≦z≦0.2であることがより望ましい。
また、本発明は、Bi23、Bi、Cu及びTeの各粉末を混合した後、焼結することで化学式1で表される熱電変換材料を製造する方法を提供する。
本発明の製造方法において、焼結時の温度は400から570℃であることが望ましい
本発明による熱電変換材料は熱電変換性能が良好であるため、従来の熱電変換材料に代替するか又は従来の熱電変換材料に加えて熱電変換素子に有用に使用することができる。
本明細書に添付される次の図面は、本発明の望ましい実施例を例示するものであり、発明の詳細な説明とともに本発明の技術的な思想をさらに理解させる役割をするため、本発明は図面に記載された事項だけに限定されて解釈されてはならない。
BiCuOTeのX線回折パターンと構造モデルの理論パターンとを比べたリートベルトプロファイル(Rietveld profile)を示したグラフである。 BiCuOTeの結晶構造図である。 本発明の実施例2、4及び6による化合物のX線回折パターンを示したグラフである。 本発明の実施例1、2及び参照例による化合物のパワーファクター(power factor)を示したグラフである。 本発明の実施例3〜5及び参照例による化合物のパワーファクターを示したグラフである。 本発明の実施例1、2、6及び参照例による化合物のパワーファクターを示したグラフである。
本発明の熱電変換材料は、下記化学式1で表される。
Figure 0005537688
化学式1において、0≦x<1、0≦y<1、0≦z<1及びx+y+z>0である。また、化学式1のx、y及びzはそれぞれ0≦x≦0.5、0≦y≦0.5及び0≦z≦0.5であることが望ましく、それぞれ0≦x≦0.2、0≦y≦0.2及び0≦z≦0.2であることがより望ましい。
すなわち、本発明による熱電変換材料はBiCuOTeのBi、Cu、Oのうち少なくともいずれか1つの元素を相対的に欠乏(deficiency)させたことを特徴とする。具体的に、化学式1において、x、y及びzはそれぞれ0<x≦0.1、y=0及びz=0であり得(Biのみを欠乏させた場合)、それぞれx=0、0<y≦0.2及びz=0でもあり得(Cuのみを欠乏させた場合)、それぞれ0<x≦0.1、y=0及び0<z≦0.1でもあり得る(Bi及びOを同時に欠乏させた場合)。
前述したように、熱電変換性能はゼーベック係数及び電気伝導度が大きいほど、熱伝導度が小さいほど高くなる。BiCuOTeは、後述するが、Cu2Te2層とBi22層とがc‐結晶軸に沿って繰り返される超格子構造であって、典型的な商用熱電変換材料であるBi2Te3に比べて熱伝導度が著しく低くゼーベック係数はBi2Te3とほぼ同じであ
るか大きい。したがって、BiCuOTeは熱電変換材料として非常に有用であるが、電気伝導度が相対的に低い。電気伝導度はキャリアである正孔の濃度を増加させることで向上できるが、本発明ではBi、Cu、Oのうち少なくともいずれか1つの元素を相対的に欠乏させることで達成することができる。
したがって、本発明の熱電変換材料は、従来の熱電変換材料とは異なる新たな材料であって、熱電変換性能に優れ、従来の熱電変換材料に代替するか又は従来の熱電変換材料に加えて熱電変換素子に有用に使用することができる。
化学式1の熱電変換材料は、Bi23、Bi、Cu及びTeの各粉末を混合した後、焼結することで製造し得るが、これに限定されることはない。
本発明の化合物半導体は、真空中、または、水素を一部含んでいるか水素を含まないAr、He、 N2などの気体を流しながら焼結して製造し得る。焼結時の温度はかなり低い400から750℃程度にすることができ、400から570℃にさらに低くすることもできる。
一方、上述した説明において本発明の熱電変換材料のTeは化学量論的に定量使用したことで説明されたが、Teの一部がS、Se、As、Sbなどの他の元素に置換された場合にも、Bi、Cu、Oのうち少なくともいずれか1つの元素を一部欠乏させることでキャリア濃度を増加させて熱電変換性能を向上させるという本発明の概念が同様に適用され、本発明の範囲は本発明の基本概念から逸脱しない範囲で一部欠乏された元素以外の他の元素の一部がさらに他の元素によって置換された場合にも及ぶと解釈されなければならない。
以下、本発明をより具体的に説明するために実施例を挙げて説明する。しかし、本発明による実施例は多くの他の形態で変形され得、本発明の範囲が後述する実施例によって限定されると解釈されてはならない。本発明の実施例は当業界で平均的な知識を持つ者に本発明をより完全に説明するために提供されるものである。
<参照例>
BiCuOTeの合成
まず、BiCuOTeを合成するため、Bi23(Aldrich、99.9%、100mesh)1.1198g、Bi(Aldrich、99.99%、<10m)0.5022g、Cu(Aldrich、99.7%、3m)0.4581g、Te(Aldrich、99.99%、〜100mesh)0.9199gをめのう乳鉢(agate
mortar)を用いてよく混合した。混合した材料はシリカチューブに入れて真空密封し、510℃で15時間加熱することでBiCuOTe粉末を得た。
X線回折分析のため、試料をよく粉砕してX線回折分析機(Bruker D8−Ad
vance XRD)のサンプルホルダーに充填し、X線はCuKα1(λ=1.5405Å)、印加電圧50kV、印加電流40mAで0.02度間隔でスキャンして測定した。
得られた物質の結晶構造を調べるため、TOPASプログラム(R.W.Cheary、A.Coelho、J.Appl.Crystallogr.25(1992)109−121;Bruker AXS、TOPAS 3、Karlsruhe、Germany(2000))を使用して結晶構造を分析し、その結果を表1と図2に示した。
Figure 0005537688
図1は、BiCuOTeのX線回折パターンと構造モデルの理論パターンとを比べたリートベルトプロファイル(Rietveld profile)を示したグラフである。
図1を参照すれば、測定されたパターンと表1の結果による計算されたパターンとがよく一致することが分かり、これにより本参照例で得られた物質がBiCuOTeであることが同定された。
図2に示されたように、このようなBiCuOTe化合物半導体はCu2Te2層とBi22層とがc‐結晶軸に沿って繰り返される自然的超格子構造(naturally s
uperlattice)を示す。
<実施例1及び2>
Bi1-xCuOTeの合成
BiCuOTeのBiの一部を欠乏させるために各原料粉末の混合量を次のように調節して混合したことを除き、前述した参照例と基本的に同様の方法でBi1-xCuOTeを
合成した。合成のための各原料粉末の混合量は次のようである(単位:g)。
Figure 0005537688
<実施例3〜5>
BiCu1-yOTeの合成
BiCuOTeのCuの一部を欠乏させるために各原料粉末の混合量を次のように調節して混合したことを除き、前述した参照例と基本的に同様の方法でBiCu1-yOTeを
合成した。合成のための各原料粉末の混合量は次のようである(単位:g)。
Figure 0005537688
<実施例6>
Bi0.96CuO0.94Teの合成
Bi23の混合量を相対的に減らしてBi及びOの一部を同時に欠乏させたことを除き、前述した参照例と基本的に同様の方法でBi0.96CuO0.94Teを合成した。合成のための各原料粉末の混合量は次のようである(単位:g)。
Figure 0005537688
また、実施例2、4、6の化合物に対し、参照例と同様の方法で試料を用意してX線回折分析を実施した。図3に示された結果から各物質を同定した。
<熱電変換性能の評価>
前述した方法で合成した参照例と実施例の各試料のうち一部をそれぞれ直径4mm、長さ15mmの円柱に成形した後、CIP(Cold Isostatic Press)を使用して200MPaの圧力を印加した。次いで、得られた結果物を石英管に入れて510℃で10時間真空焼結した。
焼結した試料に対し、ZEM−2(Ulvac−Rico、Inc)を使用して所定温度間隔で各試料の電気伝導度及びゼーベック係数を測定し、熱電変換性能の指標としてゼーベック係数の二乗と電気伝導度との積で定義されるパワーファクターを計算して図4から図6に示した。
図4から図6を参照すれば、参照例のBiCuOTeに比べて実施例1〜6による熱電変換材料のパワーファクターが著しく向上したことが分かり、したがって本発明の熱電変換材料の熱電変換性能が優れることが分かる。

Claims (15)

  1. 下記化学式1で表される熱電変換材料;
    <化学式1>
    Bi1-xCu1-y1-zTe
    化学式1において、0≦x<1、0≦y<1、0≦z<1及びx+y+z>0である。
  2. 化学式1のx、y及びzが、それぞれ0≦x≦0.5、0≦y≦0.5及び0≦z≦0.5であることを特徴とする請求項1に記載の熱電変換材料。
  3. 化学式1のx、y及びzが、それぞれ0≦x≦0.2、0≦y≦0.2及び0≦z≦0.2であることを特徴とする請求項2に記載の熱電変換材料。
  4. 化学式1のx、y及びzが、それぞれ0<x≦0.1、y=0及びz=0であることを特徴とする請求項3に記載の熱電変換材料。
  5. 化学式1のx、y及びzが、それぞれx=0、0<y≦0.2及びz=0であることを特徴とする請求項3に記載の熱電変換材料。
  6. 化学式1のx、y及びzが、それぞれ0<x≦0.1、y=0及び0<z≦0.1であることを特徴とする請求項3に記載の熱電変換材料。
  7. BiCuTe層とO層とがc‐結晶軸に沿って繰り返される自然的超格子構造を示すBiCuOTe系化合物半導体からなり、Bi,Cu及びOの少なくとも一つが一部欠乏していることを特徴とする熱電変換材料。
  8. x、y及びzを、それぞれBi,Cu及びOの欠乏率としたとき、 x、y及びzが、それぞれ0≦x≦0.5、0≦y≦0.5及び0≦z≦0.5であることを特徴とする請求項7に記載の熱電変換材料。
  9. x、y及びzが、それぞれ0≦x≦0.2、0≦y≦0.2及び0≦z≦0.2であることを特徴とする請求項8に記載の熱電変換材料。
  10. x、y及びzが、それぞれ0<x≦0.1、y=0及びz=0であることを特徴とする請求項9に記載の熱電変換材料。
  11. x、y及びzが、それぞれx=0、0<y≦0.2及びz=0であることを特徴とする請求項9に記載の熱電変換材料。
  12. x、y及びzが、それぞれ0<x≦0.1、y=0及び0<z≦0.1であることを特徴とする請求項9に記載の熱電変換材料。
  13. Bi23、Bi、Cu及びTeの各粉末を混合した後、焼結することで請求項1から請求項12のいずれか1項に記載の熱電変換材料を製造する方法。
  14. 前記焼結時の温度が400から570℃であることを特徴とする請求項13に記載の熱電変換材料を製造する方法。
  15. 請求項1から請求項12のうちいずれか1項に記載の熱電変換材料を含む熱電変換素子。
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