JP5670980B2 - 熱電変換材料及び熱電変換素子 - Google Patents
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Description
熱電変換材料には良好な熱電変換効率が要求され、現在主に実用化されているのは無機材料である。しかし、これらの無機材料は材料自体が高価であったり、有害物質を含んでいたり、熱電変換素子への加工工程が複雑である等の問題を有している。そのため、比較的廉価に製造でき、成膜等の加工も容易な有機熱電変換材料の研究が進められ、導電性高分子を用いた熱電変換材料や素子が報告されている。
しかしながら、これらの熱電変換材料は熱電変換効率が未だ十分とは言えず、より高い熱電変換効率を有する有機熱電変換材料の開発が望まれている。
<1> 導電性高分子と、熱励起アシスト剤と、ドーパントとしてオニウム塩化合物とを含有する熱電変換材料であって、熱励起アシスト剤が導電性高分子にドープ準位を形成しない化合物であり、熱励起アシスト剤のLUMO(最低空軌道)のエネルギー準位と導電性高分子のHOMO(最高被占軌道)のエネルギー準位とが下記数式(I)を満たす、熱電変換材料。
数式(I)
0.1eV≦|導電性高分子のHOMO|−|熱励起アシスト剤のLUMO|≦1.9eV
(数式(I)中、|導電性高分子のHOMO|は導電性高分子のHOMOのエネルギー準位の絶対値を、|熱励起アシスト剤のLUMO|は熱励起アシスト剤のLUMOのエネルギー準位の絶対値をそれぞれ表す。)
<2> カーボンナノチューブを含有する、<1>項記載の熱電変換材料。
<3> 前記導電性高分子が、チオフェン系化合物、ピロール系化合物、アニリン系化合物、アセチレン系化合物、p−フェニレン系化合物、p−フェニレンビニレン系化合物、p−フェニレンエチニレン系化合物、及びこれらの誘導体からなる群より選択される少なくとも1種のモノマーから誘導される繰り返し単位を有する共役系高分子である、<1>又は<2>項記載の熱電変換材料。
<4> 前記熱励起アシスト剤が、ベンゾチアジアゾール骨格、ベンゾチアゾール骨格、ジチエノシロール骨格、シクロペンタジチオフェン骨格、チエノチオフェン骨格、チオフェン骨格、フルオレン骨格、及びフェニレンビニレン骨格から選ばれる少なくとも1種の構造を含む高分子化合物、フラーレン系化合物、フタロシアニン系化合物、ペリレンジカルボキシイミド系化合物、又はテトラシアノキノジメタン系化合物である、<1>〜<3>のいずれか1項に記載の熱電変換材料。
<5> さらに溶媒を含む、<1>〜<4>のいずれか1項に記載の熱電変換材料。
<6> <1>〜<5>のいずれか1項に記載の熱電変換材料を用いた熱電変換素子。
<7> 2層以上の熱電変換層を有し、該熱電変換層の少なくとも1層が<1>〜<5>のいずれか1項に記載の熱電変換材料を含有してなる、<6>項記載の熱電変換素子。
<8> 2層以上の熱電変換層のうち、隣接する熱電変換層が互いに異なる導電性高分子を含有する、<7>項記載の熱電変換素子。
<9> 基材と、該基材上に設けられた熱電変換層とを備えた、<6>〜<8>のいずれか1項に記載の熱電変換素子。
<10> さらに電極を有する、<6>〜<9>のいずれか1項に記載の熱電変換素子。
<11> <6>〜<10>のいずれか1項に記載の熱電変換素子を用いた熱電発電用物品。
以下、本発明について詳述する。
導電性高分子としては、共役系の分子構造を有する高分子化合物を用いることができる。ここで、共役系の分子構造を有する高分子とは、高分子の主鎖上の炭素−炭素結合において、一重結合と二重結合とが交互に連なる構造を有している高分子である。
このような共役系高分子としては、チオフェン系化合物、ピロール系化合物、アニリン系化合物、アセチレン系化合物、p−フェニレン系化合物、p−フェニレンビニレン系化合物、p−フェニレンエチニレン系化合物、p−フルオレニレンビニレン系化合物、ポリアセン系化合物、ポリフェナントレン系化合物、金属フタロシアニン系化合物、p−キシリレン系化合物、ビニレンスルフィド系化合物、m−フェニレン系化合物、ナフタレンビニレン系化合物、p−フェニレンオキシド系化合物、フェニレンスルフィド系化合物、フラン系化合物、セレノフェン系化合物、アゾ系化合物、金属錯体系化合物、及びこれらの化合物に置換基を導入した誘導体などをモノマーとし、当該モノマーから誘導される繰り返し単位を有する共役系高分子が挙げられる。
一例として、媒体として有機溶媒を用いる場合、直鎖、分岐又は環状のアルキル基、アルコキシ基、チオアルキル基のほか、アルコキシアルキレンオキシ基、アルコキシアルキレンオキシアルキル基、クラウンエーテル基、アリール基等を好ましく用いることができる。これらの基は、さらに置換基を有してもよい。また、置換基の炭素数に特に制限はないが、好ましくは1〜12個、より好ましくは4〜12個であり、特に炭素数6〜12個の長鎖のアルキル基、アルコキシ基、チオアルキル基、アルコキシアルキレンオキシ基、アルコキシアルキレンオキシアルキル基が好ましい。
水系の媒体を用いる場合は、各モノマーの末端又は上記置換基にさらに、カルボン酸基、スルホン酸基、水酸基、リン酸基等の親水性基を導入することが好ましい。
他にも、ジアルキルアミノ基、モノアルキルアミノ基、アミノ基、カルボキシル基、エステル基、アミド基、カルバメート基、ニトロ基、シアノ基、イソシアネート基、イソシアノ基、ハロゲン原子、パーフルオロアルキル基、パーフルオロアルコキシ基などを置換基として導入することができ、好ましい。
導入されうる置換基の数も特に制限されず、導電性高分子の分散性や相溶性、導電性等を考慮して、1個又は複数個の置換基を適宜導入することができる。
導電性の観点から、導電性高分子は、酸、光、熱に対して分解されにくいものが好ましい。また、高い導電性を得るためには、導電性高分子の長い共役鎖を介した分子内のキャリア伝達、及び分子間のキャリアホッピングが必要となる。そのためには、導電性高分子の分子量がある程度大きいことが好ましく、この観点から、本発明で用いる導電性高分子の分子量は、重量平均分子量で5000以上であることが好ましく、7000〜300,000であることがより好ましく、8000〜100,000であることがさらに好ましい。当該重量平均分子量は、ゲル浸透クロマトグラフィー(GPC)により測定できる。
また、市販品を用いることもでき、例えば、アルドリッチ社製のポリ(3−ヘキシルチオフェン−2,5ージイル) レジオレギュラー品が挙げられる。
熱電変換材料中の導電性高分子の含有量は、全固形分中、30〜90質量%であることが好ましく、35〜80質量%であることがより好ましく、40〜70質量%であることが特に好ましい。
本発明の熱電変換材料に用いる熱励起アシスト剤とは、導電性高分子のLUMO(Lowest Unoccupied Molecular Orbital;最低空軌道)よりもエネルギー準位の低いLUMOを有する化合物であって、導電性高分子にドープ準位を形成しない化合物をいう。後述のように本発明の熱電変換材料は、ドーパントを含有するが、当該ドーパントとは導電性高分子にドープ準位を形成する化合物である。
導電性高分子にドープ準位が形成されるか否かは吸収スペクトルの測定により評価でき、本発明におけるドープ準位を形成する化合物及びドープ準位を形成しない化合物とは、下記の方法によって評価されたものをいう。
−ドープ準位形成の有無の評価法−
ドーピング前の導電性高分子Aと別成分Bとを重量比1:1で混合し、薄膜化したサンプルの吸収スペクトルを観測する。その結果、導電性高分子A単独又は成分B単独の吸収ピークとは異なる新たな吸収ピークが発生し、且つこの新たな吸収ピーク波長が導電性高分子Aの吸収極大波長よりも長波長側である場合にドープ準位が発生したと判断する。この場合、成分Bをドーパントと定義する。
さらに、導電性高分子のHOMOのエネルギー準位の絶対値と熱励起アシスト剤のLUMOのエネルギー準位の絶対値とが下記数式(I)を満たす関係にあるとき、熱電変換材料は優れた熱起電力を備えたものとなる。
数式(I)
0.1eV≦|導電性高分子のHOMO|−|熱励起アシスト剤のLUMO|≦1.9eV
上記数式(I)は、熱励起アシスト剤のLUMOと導電性高分子のHOMOとのエネルギー差を表し、これが0.1eVよりも小さい場合(熱励起アシスト剤のLUMOのエネルギー準位が導電性高分子のHOMOのエネルギー準位よりも低い場合を含む)、導電性高分子のHOMO(ドナー)と熱励起アシスト剤のLUMO(アクセプター)との間の電子移動の活性化エネルギーが非常に小さくなるため、導電性高分子と熱励起アシスト剤との間で酸化還元反応が起きて凝集が発生してしまう。その結果、材料の成膜性の悪化や導電率の悪化を招くこととなる。逆に、両軌道のエネルギー差が1.9eVよりも大きい場合、当該エネルギー差が熱励起エネルギーよりも遙かに大きくなってしまうために熱励起キャリアがほとんど発生しない、すなわち熱励起アシスト剤の添加効果がほとんどなくなってしまう。熱電変換材料の熱起電力が向上には、両軌道のエネルギー差が上記数式(I)の範囲内であることが必要である。
なお、導電性高分子及び熱励起アシスト剤のHOMO及びLUMOのエネルギー準位は、HOMOエネルギーレベルに関しては、単一の各成分の塗布膜(ガラス基板)をそれぞれ作製し、光電子分光法によりHOMO準位を測定できる。LUMO準位に関しては、紫外可視分光光度計を用いてバンドギャップを測定した後、上記で測定したHOMOエネルギーに加えることにより、LUMOエネルギーを算出できる。本発明において導電性高分子及び熱励起アシスト剤のHOMO及びLUMOのエネルギー準位は、当該方法により測定・算出された値を用いる。
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、その熱電変換性能を表す指標として、下記数式(II)で表される性能指数ZTが用いられている。
数式(II): ZT=S2σT/κ
数式(II)中、Sは熱電変換材料のゼーベック係数を、σは熱電変換材料の導電率を、κは熱電変換材料の熱伝導率を、そしてTは測定温度を表す。
上記数式(II)から、熱電変換材料の熱電変換性能を高めるためには、材料のゼーベック係数S及び導電率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。なお、ゼーベック係数は、絶対温度1Kあたりの熱起電力である。
導電性高分子をドーピングする従来の手法では、材料の導電性を高めることで熱電変換性能の向上を図っている。この手法では、導電性高分子内部に形成されるドープ準位が、熱励起によって発生した電子の存在場所となる。そのため、熱励起によって発生した正孔(ホール)と電子が導電性高分子の近傍に共存することとなり、導電性高分子のドープ準位が熱励起によって発生した電子によって飽和されやすくなり、それ以上の熱励起が進行しにくくなるため、ゼーベック係数が低下してしまう。
一方、本発明は、熱励起アシスト剤の使用によりゼーベック係数を高めることで、熱電変換性能を向上させるものである。本発明では、熱励起によって発生した電子がアクセプター準位である熱励起アシスト剤のLUMOに存在するため、導電性高分子上の正孔と熱励起アシスト剤上の電子とが物理的に離れて存在している。そのため、導電性高分子のドープ準位が熱励起によって発生した電子によって飽和されにくくなり、ゼーベック係数を高めることができる。
熱電変換材料中の熱励起アシスト剤の含有量は、全固形分中、1〜40質量%であることが好ましく、3〜30質量%であることがより好ましく、5〜25質量%であることが特に好ましい。
本発明の熱電変換材料は、導電性高分子及び熱励起アシスト剤に加え、ドーパントを含有する。前述のとおり、本発明においてドーパントとは導電性高分子にドープ準位を形成する化合物である。当該ドーパントは、熱励起アシスト剤の有無にかかわらずドープ準位を形成する。
ドーパントとしては、導電性高分子に酸を付与するものであればよく、下記のオニウム塩化合物を用いることができる。
本発明でドーパントとして用いるオニウム塩化合物は、放射線や電磁波等の活性エネルギー線の照射又は熱の付与等のエネルギー付与によって酸を発生する化合物(酸発生剤、酸前駆体)であることが好ましい。このようなオニウム塩化合物としては、スルホニウム塩、ヨードニウム塩、アンモニウム塩、カルボニウム塩、ホスホニウム塩等が挙げられる。なかでも、スルホニウム塩、ヨードニウム塩、アンモニウム塩、カルボニウム塩が好ましく、スルホニウム塩、ヨードニウム塩、カルボニウム塩がより好ましい。当該塩を構成するアニオン部分としては、強酸の対アニオンが挙げられる。
一般式(I)においてR21〜R23のいずれか2つの基が、一般式(II)においてR21及びR23が、一般式(III)においてR25及びR26が、一般式(IV)においてR27〜R30のいずれか2つの基が、一般式(V)においてR31〜R33のいずれか2つの基が、それぞれ結合して脂肪族環、芳香族環、ヘテロ環を形成してもよい。
環状アルキル基としては、炭素数3〜20のアルキル基が好ましく、具体的には、シクロプロピル基、シクロペンチル基、シクロヘキシル基、ビシクロオクチル基、ノルボルニル基、アダマンチル基などが挙げられる。
アラルキル基としては、炭素数7〜15のアラルキル基が好ましく、具体的には、ベンジル基、フェネチル基などが挙げられる。
アリール基としては、炭素数6〜20のアリール基が好ましく、具体的には、フェニル基、ナフチル基、アントラニル基、フェナンシル基、ピレニル基などが挙げられる。
芳香族へテロ環基としては、ピリジル基、ピラゾール基、イミダゾール基、ベンゾイミダゾール基、インドール基、キノリン基、イソキノリン基、プリン基、ピリミジン基、オキサゾール基、チアゾール基、チアジン基等が挙げられる。
アリールオキシ基としては、炭素数6〜20のアリールオキシ基が好ましく、具体的には、フェノキシ基、ナフチルオキシ基などが挙げられる。
アリーレン基としては、炭素数6〜20のアリーレン基が好ましく、具体的には、フェニレン基、ナフチレン基、アントラニレン基などが挙げられる。
アリールスルホン酸のアニオンとして具体的には、p−CH3C6H4SO3 −、PhSO3 −、ナフタレンスルホン酸のアニオン、ナフトキノンスルホン酸のアニオン、ナフタレンジスルホン酸のアニオン、アントラキノンスルホン酸のアニオンが挙げられる。
パーフルオロアルキルスルホン酸のアニオンとして具体的には、CF3SO3 −、C4F9SO3 −、C8F17SO3 −が挙げられる。
過ハロゲン化ルイス酸のアニオンとして具体的には、PF6 −、SbF6 −、BF4 −、AsF6 −、FeCl4 −が挙げられる。
パーフルオロアルキルスルホンイミドのアニオンとして具体的には、CF3SO2−N−−SO2CF3、C4F9SO2−N−−SO2C4F9が挙げられる。
過ハロゲン酸アニオンとして具体的には、ClO4 −、BrO4 −、IO4 −が挙げられる。
アルキル若しくはアリールボレートアニオンとして具体的には、(C6H5)4B−、(C6F5)4B−、(p−CH3C6H4)4B−、(C6H4F)4B−が挙げられる。
X−としてより好ましくは、過ハロゲン化ルイス酸のアニオン(好ましくは、PF6 −)、パーフルオロアルキルスルホン酸のアニオン、アルキル若しくはアリールボレートアニオン(好ましくは、(C6H5)4B−、(C6F5)4B−)であり、さらに好ましくは過ハロゲン化ルイス酸のアニオン、パーフルオロアルキルスルホン酸のアニオン、フルオロ置換アリールボレートアニオンである。
Ar1としては、好ましくはフルオロ置換アリール基であり、より好ましくはペンタフルオロフェニル基、又は少なくとも1つのパーフルオロアルキル基で置換されたフェニル基であり、特に好ましくはペンタフルオロフェニル基である。
Ar2〜Ar4のアリール基、芳香族へテロ環基は、上述のR21〜R23、R25〜R33のアリール基、芳香族へテロ環基と同義であり、好ましくはアリール基であり、より好ましくはフェニル基である。これらの基は、さらに置換されていてもよく、置換基としては上述のR21〜R33の置換基が挙げられる。
Ar1は、上記一般式(VI)のAr1と同義であり、好ましい範囲も同様である。
Ar5及びAr6は、上記一般式(VI)のAr2〜Ar4と同義であり、好ましい範囲も同様である。
オニウム塩化合物の合成方法の一実施態様を下記に示すが、本発明はこれに限定されるものではない。他のオニウム塩に関しても、同様の手法により合成する事ができる。
トリフェニルスルホニウムブロミド(東京化成製)2.68g、リチウム テトラキス(ペンタフルオロフェニル)ボレート−エチルエ−テルコンプレックス(東京化成製)5.00g、およびエタノール146mlを500ml容三口フラスコに入れ、室温にて2時間撹拌した後、純水200mlを添加し、析出した白色固形物を濾過により分取する。この白色固体を純水およびエタノールにて洗浄および真空乾燥することにより、オニウム塩としてトリフェニルスルホニウム テトラキス(ペンタフルオロフェニル)ボレート6.18gを得ることができる。
本発明の熱電変換材料は、カーボンナノチューブ(以下、CNTと略記する)を含有することが好ましい。CNTにより、材料の導電率を向上させることができる。
CNTには、1枚の炭素膜(グラフェン・シート)が円筒状に巻かれた単層CNT、2枚のグラフェン・シートが同心円状に巻かれた2層CNT、及び複数のグラフェン・シートが同心円状に巻かれた多層CNTがある。本発明においては、単層CNT、2層CNT、多層CNTを各々単独で用いてもよく、2種以上を併せて用いてもよい。特に、導電性及び半導体特性において優れた性質を持つ単層CNT及び2層CNTを用いることが好ましく、単層CNTを用いることがより好ましい。
単層CNTは、半導体性のものであっても、金属性のものであってもよく、両者を併せて用いてもよい。半導体性CNTと金属性CNTとを両方を用いる場合、熱電変換材料中の両者の含有比率は、材料の用途に応じて適宜調整することができる。また、CNTには金属などが内包されていてもよく、フラーレン等の分子が内包されたものを用いてもよい。なお、本発明の熱電変換材料には、CNTの他に、カーボンナノホーン、カーボンナノコイル、カーボンナノビーズなどのナノカーボンが含まれてもよい。
CNTを製造する際には、同時にフラーレンやグラファイト、非晶性炭素が副生成物として生じ、また、ニッケル、鉄、コバルト、イットリウムなどの触媒金属も残存する。これらの不純物を除去するために、精製を行うことが好ましい。CNTの精製方法は特に限定されないが、硝酸、硫酸等による酸処理、超音波処理が不純物の除去には有効である。併せて、フィルターによる分離除去を行うことも、純度を向上させる観点からより好ましい。
本発明においては、カットしたCNTだけではなく、あらかじめ短繊維状に作製したCNTも同様に使用できる。このような短繊維状CNTは、例えば、基板上に鉄、コバルトなどの触媒金属を形成し、その表面にCVD法により700〜900℃で炭素化合物を熱分解してCNTを気相成長させることによって、基板表面に垂直方向に配向した形状で得られる。このようにして作製された短繊維状CNTは基板から剥ぎ取るなどの方法で取り出すことができる。また、短繊維状CNTはポーラスシリコンのようなポーラスな支持体や、アルミナの陽極酸化膜上に触媒金属を担持させ、その表面にCNTをCVD法にて成長させることもできる。触媒金属を分子内に含む鉄フタロシアニンのような分子を原料とし、アルゴン/水素のガス流中でCVDを行うことによって基板上にCNTを作製する方法でも配向した短繊維状のCNTを作製することもできる。さらには、SiC単結晶表面にエピタキシャル成長法によって配向した短繊維状CNTを得ることもできる。
熱電変換材料中のCNTの含有量は、全固形分中、2〜40質量%であることが好ましく、5〜35質量%であることがより好ましく、8〜30質量%であることが特に好ましい。
本発明の熱電変換材料は、溶媒を含有することが好ましい。
溶媒は、材料の各成分を良好に分散又は溶解できればよく、水、有機溶媒、及びこれらの混合溶媒を用いることができる。好ましくは有機溶媒であり、アルコール、クロロホルムなどのハロゲン系溶媒、DMF、NMP、DMSOなどの極性の有機溶媒、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン、ベンゼン、トルエン、キシレン、ピリジンなどの芳香族系溶媒、シクロヘキサノン、アセトン、メチルエチルケトンなどのケトン系溶媒、ジエチルエーテル、THF、t−ブチルメチルエーテル、ジメトキシエタン、ジグリムなどのエーテル系溶媒等が好ましく使用される。
溶媒は材料の用途に応じて適量を使用すればよいが、材料の全固形分量に対し、97〜99.99質量%であることが好ましく、98〜99.95質量%であることがより好ましく、98.5〜99.9質量%であることがさらに好ましい。
本発明の熱電変換材料は上記成分の他に、酸化防止剤、対光安定剤、耐熱安定剤、可塑剤等を適宜含有してもよい。これらの成分の含有量は、材料全質量に対し5質量%以下であることが好ましい。
酸化防止剤としては、イルガノックス1010(日本チガバイギー製)、スミライザーGA−80(住友化学工業(株)製)、スミライザーGS(住友化学工業(株)製)、スミライザーGM(住友化学工業(株)製)等が挙げられる。
耐光安定剤としては、TINUVIN 234(BASF製)、CHIMASSORB 81(BASF製)、サイアソーブUV−3853(サンケミカル製)等が挙げられる。
耐熱安定剤としては、IRGANOX 1726(BASF製)が挙げられる。
可塑剤としては、アデカサイザーRS(アデカ製)等が挙げられる。
本発明の熱電変換材料は、上記の各成分を混合して調製することができる。調製方法に特に制限はなく、通常の混合装置等を用いて常温常圧下で行うことができる。例えば、各成分を溶媒中で撹拌、振とう、混練して溶解又は分散させて調製すればよい。溶解や分散を促進するため超音波処理を行ってもよい。
熱電変換層の塗布、成膜方法としては、例えば、スピンコート、エクストルージョンダイコート、ブレードコート、バーコート、スクリーン印刷、ステンシル印刷、ロールコート、カーテンコート、スプレーコート、ディップコート、インクジェット法、溶融押出成型法、溶液流延法、カレンダー法等、通常の高分子フイルムの製膜に使用される塗布方法を用いることができる。塗布後、必要に応じて加熱工程や乾燥工程を設けて溶媒等を留去してもよい。
基材には、ガラス、透明セラミックス、金属、プラスチックフィルム等の基板を用いることができる。本発明に用い得るプラスチックフィルムの具体例としては、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンイソフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリ(1,4−シクロヘキシレンジメチレンテレフタレート)、ポリエチレン−2,6−フタレンジカルボキシレート、ビスフェノールAとイソ及びテレフタル酸のポリエステルフィルム等のポリエステルフィルム、商品名、ゼオノアフィルム(日本ゼオン社製)、アートンフィルム(JSR社製)、スミライトFS1700(住友ベークライト社製)等のポリシクロオレフィンフィルム、商品名、カプトン(東レ・デュポン社製)、アピカル(カネカ社製)、ユービレックス(宇部興産社製)、ポミラン(荒川化学社製)等のポリイミドフィルム、商品名、ピュアエース(帝人化成社製)、エルメック(カネカ社製)等のポリカーボネートフィルム、商品名、スミライトFS1100(住友ベークライト社製)等のポリエーテルエーテルケトンフィルム、商品名、トレリナ(東レ社製)等のポリフェニルスルフィドフィルム等が挙げられる。使用条件や環境により適宜選択させるが入手の容易性、好ましくは100℃以上の耐熱性、経済性及び効果の観点から、市販のポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、各種ポリイミドやポリカーボネートフィルム等が好ましい。
特に、熱電変換層との圧着面に各種電極材料を設けた基材を用いることが好ましい。この電極材料としてはITO、ZnO等の透明電極、銀、銅、金、アルミニウムなどの金属電極、CNT、グラフェンなどの炭素材料、PEDOT/PSS等の有機材料、銀、カーボンなどの導電性微粒子を分散した導電性ペースト、銀、銅、アルミニウムなどの金属ナノワイヤーを含有する導電性ペースト等が使用できる。
活性エネルギー線には、放射線や電磁波が包含され、放射線には粒子線(高速粒子線)と電磁放射線が包含される。粒子線としては、アルファ線(α線)、ベータ線(β線)、陽子線、電子線(原子核崩壊によらず加速器で電子を加速するものを指す)、重陽子線等の荷電粒子線、非荷電粒子線である中性子線、宇宙線等が挙げられ、電磁放射線としては、ガンマ線(γ線)、エックス線(X線、軟X線)が挙げられる。電磁波としては、電波、赤外線、可視光線、紫外線(近紫外線、遠紫外線、極紫外線)、X線、ガンマ線などがあげられる。本発明において用いる線種は特に限定されず、例えば、使用するオニウム塩化合物の極大吸収波長付近の波長を有する電磁波を適宜選べばよい。
これらの活性エネルギー線のうち、ドーピング効果および安全性の観点から好ましいのは紫外線、可視光線、赤外線であり、より好ましいのは紫外線である。具体的には240〜1100nm、好ましくは300〜850nm、より好ましくは350〜670nmに極大吸収を有する光線である。
放射線または電磁波を照射できる装置としては、LEDランプ、高圧水銀ランプ、超高圧水銀ランプ、DeepUVランプ、低圧UVランプなどの水銀ランプ、ハライドランプ、キセノンフラッシュランプ、メタルハライドランプ、ArFエキシマランプ、KrFエキシマランプなどのエキシマランプ、極端紫外光ランプ、電子ビーム、X線ランプを光源とする露光装置がある。紫外線照射は、通常の紫外線照射装置、例えば、市販の硬化/接着/露光用の紫外線照射装置(ウシオ電機株式会社SP9-250UB等)を用いて行うことができる
露光時間及び光量は、用いるオニウム塩化合物の種類及びドーピング効果を考慮して適宜選択すればよい。具体的には、光量10mJ/cm2〜10J/cm2、好ましくは50mJ/cm2〜5J/cm2で行うことが挙げられる。
本発明の熱電変換材料は、高い熱起電力を備えており、熱電発電素子等の熱電変換素子用の材料として好適に用いることができる。
本発明の熱電変換素子は、本発明の熱電変換材料を用いてなるものであればよく、その構成については特に限定されない。好ましくは基材(基板)と、当該基材上に設けられた本発明の熱電変換材料を含む熱電変換層とを備えた素子であり、より好ましくは、これらを電気的に接続する電極をさらに有する素子であり、さらに好ましくは基材上に設けられた1対の電極と、該電極間に熱電変換層とを有する素子である。
本発明の熱電変換素子において、熱電変換層は1層であっても2層以上であってもよい。好ましくは2層以上である。
図1に示す素子(1)及び図3に示す素子(3)は、第1の基材(12、32)上に、第1の電極(13、33)及び第2の電極(15、35)を含む一対の電極と、該電極間に本発明の熱電変換材料の層(14、34−a、34−b)を備える素子である。図3に示す素子(3)では、熱電変換層は第一の熱電変換層(34−a)及び第二の熱電変換層(34−b)からなり、これらの層が温度差方向(矢印方向)に積層される。第2の電極(15、35)は第2の基材(16、36)表面に配設されており、第1の基材(12、32)及び第2の基材(16、36)の外側には互いに対向して金属板(11、17、31、37)が配設される。
図2に示す素子(2)及び図4に示す素子(4)は、第1の基材(22、42)上に、第1の電極(23、43)及び第2の電極(25、45)が配設され、その上に熱電変換材料の層(24、44−a、44−b)が設けられている。図4に示す素子(4)では、熱電変換層は第一の熱電変換層(44−a)及び第二の熱電変換層(44−b)からなり、これらの層が温度差方向(矢印方向)に積層される。
本発明の熱電変換素子は、基材上に本発明の熱電変換材料が膜(フィルム)状に設けられ、この基材を上記第1の基材(12、22、32、42)として機能させることが好ましい。すなわち、基材表面(熱電変換材料との圧着面)に、上述した各種電極材料が設けられ、その上に本発明の熱電変換材料が設けられた構造であることが好ましい。
第2の熱電変換材料は、導電性高分子の他に、溶媒や他の成分を含有してもよい。第2の熱電変換材料に用いる溶媒としては、上述した本発明の熱電変換材料に用いる溶媒が、他の成分としては、上述した本発明熱電変換材料に用いるカーボンナノチューブ、ドーパント、熱励起アシスト剤等が、それぞれ挙げられる。
また、第2の熱電変換材料の調整、各成分の含有量や溶媒の使用量等についても、上述した本発明熱電変換材料と同様に行うことができる。
例えば、隣接する熱電変換層1及び2が、ともに本発明の熱電変換材料により形成される層である場合、両熱電変換層はともに前述した導電性高分子を含有するが、熱電変換層1に含有される該導電性高分子と熱電変換層2に含有される該導電性高分子とは、互いに異なる構造であることが好ましい。
また、第1及び第2の基材の厚さは取り扱い性、耐久性等の点から、好ましくは30〜3000μm、より好ましくは50〜1000μm、さらに好ましくは100〜1000μm、特に好ましくは200〜800μmである。基材が厚すぎると熱伝導率が低下することがあり、薄すぎると外部衝撃により膜が損傷しやすくなることがある。
一般に熱電変換素子では、有機薄膜太陽電池用素子等の光電変換素子と比べて、変換層の塗布・製膜が有機層1層分でよく、簡便に素子を製造できる。特に、本発明の熱電変換材料を用いると有機薄膜太陽電池用素子と比較して100倍〜1000倍程度の厚膜化が可能であり、空気中の酸素や水分に対する化学的な安定性が向上する。
導電性高分子1:重量平均分子量=87000
導電性高分子2:重量平均分子量=77000
導電性高分子3:重量平均分子量=103000
導電性高分子4:重量平均分子量=118000
導電性高分子5:重量平均分子量=95000
導電性高分子6:重量平均分子量=83000
導電性高分子7:重量平均分子量=109000
導電性高分子8:重量平均分子量=69000
導電性高分子9:重量平均分子量=24000
導電性高分子10:重量平均分子量=47000
下記に示す導電性高分子1(アルドリッチ製、重量平均分子量=87000)10mg、前記熱励起アシスト剤401を2mg、及びCNT(ASP−100F、Hanwha Nanotech社製)4mgを、オルトジクロロベンゼン5ml中に添加し、超音波水浴にて70分間分散させた。その後、下記に示すドーパント107を4mg添加し十分に溶解させて混合液を調製した。この混合液をガラス基板上に塗布し、120℃にて15分間加熱して溶媒を留去した後、室温真空条件下にて10時間乾燥させ、膜厚2.5μmの熱電変換用膜を作製した。その後、この膜を紫外線照射機(アイグラフィックス株式会社製、ECS−401GX)により紫外線照射(光量:1.06J/cm2)し、導電性高分子のドーピングを行った。ドーピングの有無は下記の方法によって確認した。
得られた熱電変換用膜について、熱電特性、導電性高分子のHOMOと熱励起アシスト剤のLUMOとのエネルギー差を評価した。結果を表1に示す。
実施例で使用した熱励起アシスト剤は、予め下記の測定によってドープ準位を形成しないものであることを確認した。
導電性高分子10mgと熱励起アシスト剤10mgとをクロロホルム(スペクトロゾール(商品名、株式会社同仁化学研究所製))2mlに溶解させた。この溶液をガラス基板(大きさ:25mm×25mm)上にスピンコートした後、真空下で1時間乾燥させた薄膜サンプルの吸収スペクトルを観測した。
その結果、導電性高分子単独又は熱励起アシスト剤単独の吸収ピークとは異なる新たな吸収ピークが発生し、且つこの新たな吸収ピーク波長が導電性高分子の吸収極大波長よりも長波長側である場合にドープ準位が発生したと判断し、それ以外をドープ準位が発生しないものと判断した。
下記の測定により、熱電変換用膜がドーピングされているか否かを決定した。
膜の吸収スペクトルを波長300〜2000nmの領域で測定した。ドーピングされていない膜の主吸収よりも長波長側に出現する新たな吸収ピークはドーピングによるものである。この吸収ピークが観測された場合、所望通りドーピングされているものと判断した。
得られた熱電変換用膜を、熱電特性測定装置(オザワ科学(株)製:RZ2001i)を用いて、100℃におけるゼーベック係数(単位:μV/K)及び導電率(単位:S/cm)を評価した。続いて、熱伝導率測定装置(英弘精機(株)製:HC-074)を用いて熱伝導率(単位:W/mK)を算出した。これらの値を用いて、前記数式(II)に従って、100℃におけるZT値を算出し、この値を熱電特性値とした。
下記の方法により、導電性高分子と熱励起アシスト剤それぞれのHOMOエネルギー準位及びLUMOエネルギー準位を求めた。
HOMOエネルギー準位は、単一の各成分の塗布膜をガラス基板上にそれぞれ作製し、光電子分光法(理研計器社製:AC−2)によりHOMOエネルギー準位を測定した。LUMOエネルギー準位は、紫外可視分光光度計((株)島津製作所製:UV−3600)を用いて、バンドギャップを測定した後、先に測定したHOMOエネルギー準位に加えることにより、LUMOエネルギー準位を算出した。
次いで、導電性高分子のHOMOのエネルギー準位の絶対値と熱励起アシスト剤のLUMOのエネルギー準位の絶対値との差|導電性高分子のHOMO|−|熱励起アシスト剤のLUMO|を求めた。
導電性高分子、熱励起アシスト剤、ドーパントの種類及び添加の有無を表1又は表2に示すように変更した以外は実施例1と同様にして、実施例2〜27及び比較例1〜9の熱電変換用膜を製造し評価した。結果を表1及び表2に示す。
第一の電極としてITO電極(厚み:10nm)を有するガラス基板上に、実施例1で作製した混合液を塗布し、95℃にて20分間加熱して溶媒を留去した後、室温真空下にて4時間乾燥させることにより膜厚2.9μmの第一の熱電変換層を形成した。その後、紫外線照射機(アイグラフィックス株式会社製、ECS−401GX)により紫外線照射(光量:1.06J/cm2)し、導電性高分子のドーピングを行った。
次いで、第一の熱電変換層の上に、実施例7で作製した混合液を同様にして塗布し、95℃にて20分間加熱して溶媒を留去した後、室温真空下にて4時間乾燥させることにより第二の熱電変換層を形成した。その後、紫外線照射機(アイグラフィックス株式会社製、ECS−401GX)により紫外線照射(光量:1.06J/cm2)し、導電性高分子のドーピングを行った。以上のように、第一の熱電変換層と第二の熱電変換層が積層した膜厚5.5μmの積層型の熱電変換層を作製した。
第二の熱電変換層の上に、第二の電極としてアルミニウムを真空蒸着法により設置(電極の厚み:20nm)し、熱電変換素子を作製した。
導電性高分子、熱励起アシスト剤、及び添加剤の種類を表3に示すように変更した以外は、実施例30と同様にして、熱電変換素子を作製した。
導電性高分子、熱励起アシスト剤、及び添加剤の種類を表4に示すように変更した以外は実施例30と同様にして、第一、第二、及び第三の熱電変換層用の混合液を調製した。
これらの混合液を用いて、実施例30と同様にして、第一の電極上に、第一の熱電変換層、第二の熱電変換層、及び第三の熱電変換層を順に塗布、成膜し、さらに第二の電極を設置して、熱電変換素子を作製した。
導電性高分子、熱励起アシスト剤、及び添加剤の種類を表4に示すように変更した以外は実施例30と同様にして、第一、第二、第三、及び第四の熱電変換層用の混合液を調製した。
これらの混合液を用いて、実施例30と同様にして、第一の電極上に、第一の熱電変換層、第二の熱電変換層、第三の熱電変換層、及び第四の熱電変換層を順に塗布、成膜し、さらに第二の電極を設置して、熱電変換素子を作製した。
実施例30と同様にして、導電性高分子5、CNT、ドーパント107、及び熱励起アシスト剤406からなる熱電変換層用の混合液A、導電性高分子2、CNT、ドーパント107、及び熱励起アシスト剤504からなる混合液Bをそれぞれ調製した。
実施例30と同様に、第一の電極上に、混合液Aを用いて第一の熱電変換層を、混合液Bを用いて第二の熱電変換層を、混合液Aを用いて第三の熱電変換層、混合液Bを用いて第四の熱電変換層を順に成膜し、さらに第二の電極を設置して、熱電変換素子を作製した。得られた素子は、第一の電極−A層−B層−A層−B層−第二の電極、という繰り返し構造をとる熱電変換層を有しており、4層からなる熱電変換層の総膜厚は9.0μmであった。
実施例30と同様にして、熱電変換層用の混合液を調製した後、これを用いて第一の電極上に第一の熱電変換層を成膜し、さらに第二の電極を設置して、熱電変換素子を作製した。
実施例31と同様にして、導電性高分子2、CNT、ドーパント107及び熱励起アシスト剤504からなる混合液と、導電性高分子5、CNT、ドーパント107及び熱励起アシスト剤406からなる混合液をそれぞれ別々に調製した。それぞれの混合液を同重量を分取して、超音波にて10分間混合させた。
第一の電極としてITO電極(厚み:10nm)を有するガラス基板上に、この混合液を塗布し、95℃にて20分間加熱して溶媒を留去した後、室温真空下にて4時間乾燥させることにより膜厚6.5μmの積層構造ではない単一の熱電変換層を形成した。その後、実施例30と同様にして第二の電極としてアルミニウムを設置(電極の厚み:20nm)し、熱電変換素子を作製した。
得られた熱電変換素子の熱電特性を、下記により測定した。
熱電変換素子の第二の電極側を設定温度55℃のホットプレート(アズワン株式会社製、型番:HP−2LA)上に接着させ、第一の電極側に設定温度25℃のコールドプレート(日本ディジタル株式会社製、型番:980−127DL)を接着させた。第一の電極と第二の電極間に発生した熱起電力(単位:V)、及び電流(単位:A)を乗することにより熱電変換素子の出力(単位:W)を算出し、この値を熱電特性値とした。
各素子の出力を、実施例38の素子の出力値を100とした相対値で表し、評価した。結果を表3〜5に示す。
11、17、31、37 金属板
12、22、32、42 第1の基材
13、23、33、43 第1の電極
14、24 熱電変換層
34−a、44−a 第一の熱電変換層
34−b、44−b 第二の熱電変換層
15、25、35、45 第2の電極
16、26、36、46 第2の基材
Claims (11)
- 導電性高分子と、熱励起アシスト剤と、ドーパントとしてオニウム塩化合物とを含有する熱電変換材料であって、熱励起アシスト剤が導電性高分子にドープ準位を形成しない化合物であり、熱励起アシスト剤のLUMO(最低空軌道)のエネルギー準位と導電性高分子のHOMO(最高被占軌道)のエネルギー準位とが下記数式(I)を満たす、熱電変換材料。
数式(I)
0.1eV≦|導電性高分子のHOMO|−|熱励起アシスト剤のLUMO|≦1.9eV
(数式(I)中、|導電性高分子のHOMO|は導電性高分子のHOMOのエネルギー準位の絶対値を、|熱励起アシスト剤のLUMO|は熱励起アシスト剤のLUMOのエネルギー準位の絶対値をそれぞれ表す。) - カーボンナノチューブを含有する、請求項1記載の熱電変換材料。
- 前記導電性高分子が、チオフェン系化合物、ピロール系化合物、アニリン系化合物、アセチレン系化合物、p−フェニレン系化合物、p−フェニレンビニレン系化合物、p−フェニレンエチニレン系化合物、及びこれらの誘導体からなる群より選択される少なくとも1種のモノマーから誘導される繰り返し単位を有する共役系高分子である、請求項1又は2記載の熱電変換材料。
- 前記熱励起アシスト剤が、ベンゾチアジアゾール骨格、ベンゾチアゾール骨格、ジチエノシロール骨格、シクロペンタジチオフェン骨格、チエノチオフェン骨格、チオフェン骨格、フルオレン骨格、及びフェニレンビニレン骨格から選ばれる少なくとも1種の構造を含む高分子化合物、フラーレン系化合物、フタロシアニン系化合物、ペリレンジカルボキシイミド系化合物、又はテトラシアノキノジメタン系化合物である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の熱電変換材料。
- さらに溶媒を含む、請求項1〜4のいずれか1項に記載の熱電変換材料。
- 請求項1〜5のいずれか1項に記載の熱電変換材料を用いた熱電変換素子。
- 2層以上の熱電変換層を有し、該熱電変換層の少なくとも1層が請求項1〜5のいずれか1項に記載の熱電変換材料を含有してなる、請求項6記載の熱電変換素子。
- 2層以上の熱電変換層のうち、隣接する熱電変換層が互いに異なる導電性高分子を含有する、請求項7記載の熱電変換素子。
- 基材と、該基材上に設けられた熱電変換層とを備えた、請求項6〜8のいずれか1項に記載の熱電変換素子。
- さらに電極を有する、請求項6〜9のいずれか1項に記載の熱電変換素子。
- 請求項6〜10のいずれか1項に記載の熱電変換素子を用いた熱電発電用物品。
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