JP6923182B2 - Thermoelectric conversion materials and their manufacturing methods, thermoelectric power generation modules, and Perche coolers - Google Patents

Thermoelectric conversion materials and their manufacturing methods, thermoelectric power generation modules, and Perche coolers Download PDF

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Description

本発明は、熱電変換技術に関し、特に、熱電変換材料およびその製造方法、熱電発電モジュール、並びにペルチェ冷却器に関する。 The present invention relates to a thermoelectric conversion technique, and more particularly to a thermoelectric conversion material and a method for manufacturing the same, a thermoelectric power generation module, and a Perche cooler.

熱電変換は、半導体デバイスを用いて熱エネルギーと電気エネルギーとを直接変換するものである。熱電装置は、ゼーベック効果に基づく温度勾配により発電する。熱電技術は、自動車、火力発電所、データセンターなどで生じる廃熱を回収して電気を作り出すことができるので、エネルギー危機の克服や二酸化炭素ガスの発生の低減に多大なる貢献をもたらす。 Thermoelectric conversion directly converts thermal energy and electrical energy using a semiconductor device. The thermoelectric device generates electricity with a temperature gradient based on the Seebeck effect. Thermoelectric technology can recover waste heat generated in automobiles, thermal power plants, data centers, etc. to generate electricity, which will make a great contribution to overcoming the energy crisis and reducing the generation of carbon dioxide gas.

一方、熱電冷却は、ペルチェ効果を用いて、電気エネルギーの消費に伴って熱の流れを作り出す。この現象は、冷却や冷蔵に一段と利用されるようになってきた。ペルチェ効果による冷却装置は、可動部がないので、長寿命で、小型化でき、持ち運びも容易である。 Thermoelectric cooling, on the other hand, uses the Perche effect to create a flow of heat as it consumes electrical energy. This phenomenon has come to be used more and more for cooling and refrigeration. Since the cooling device by the Perche effect has no moving parts, it has a long life, can be miniaturized, and is easy to carry.

熱電変換は、熱電変換材料を必要とし、その材料の性能は、無次元熱電性能指数ZTで表され、ZT=S2T/(ρκtotal)である。ここで、Sは熱電変換材料のゼーベック係数、ρは熱電変換材料の電気抵抗率、κtotalは熱電変換材料の熱伝導率、Tは絶対温度である。 Thermoelectric conversion requires a thermoelectric conversion material, and the performance of the material is represented by the dimensionless thermoelectric figure of merit ZT, where ZT = S 2 T / (ρκ total ). Here, S is the Seebeck coefficient of the thermoelectric conversion material, ρ is the electrical resistivity of the thermoelectric conversion material, κ total is the thermal conductivity of the thermoelectric conversion material, and T is the absolute temperature.

熱電変換材料のZTを向上するためには2つの手法があり、その一つは、出力因子(power factor)S2/ρを改善することであり、もう一つは、熱伝導率κtotalを下げることである。過去15年に亘って多くの熱電変換材料は、ナノ構造化によって、熱伝導率κtotalは大幅に低減された(熱伝導率κtotalはκtotal=κlat+κeで表され、κlatは格子熱伝導率、κeは電子熱伝導率である。)。ナノ構造化は、バルクの基材中にナノスケールの含有物を埋め込むことであり、これにより短波長の熱輸送フォノンを散乱することによって熱伝導率κtotalを劇的に低減できた。 There are two methods to improve the ZT of the thermoelectric conversion material, one is to improve the power factor S 2 / ρ, and the other is to improve the thermal conductivity κ total . To lower it. Over the last 15 years, many thermoelectric conversion materials have had their thermal conductivity κ total significantly reduced by nanostructuring (thermal conductivity κ total is represented by κ total = κ lat + κ e , where κ lat is. Lattice thermal conductivity, κ e is electron thermal conductivity.). Nanostructuring is the embedding of nanoscale inclusions in bulk substrates, which can dramatically reduce thermal conductivity κ total by scattering short wavelength heat transport phonons.

現在、テルル化鉛(PbTe)が熱電変換材料として最も性能が高く、ナノ構造化を行っていない材料はZT値がおおよそ1に対して、適切なドーピングとナノ構造化により最大50〜70%改善された(例えば、非特許文献1参照)。 Currently, lead telluride (PbTe) has the highest performance as a thermoelectric conversion material, and the non-nanostructured material has a ZT value of approximately 1, which is improved by up to 50 to 70% by appropriate doping and nanostructured. (See, for example, Non-Patent Document 1).

PbTeをナノ構造化するために、これまでの最良のアプローチは、PbTeをバルク基材とし、構造ABで表される整合あるいは準整合したナノスケールの含有物が埋め込まれた複合材料である。ここで、Aは、Be、Mg、Ca、Sr、BaおよびRaからなるアルカリ土類元素であり、BはS、SeおよびTeからなるカルコゲン元素である(例えば、特許文献1参照)。 The best approach to date for nanostructuring PbTe is a composite material with PbTe as the bulk substrate and embedded with matched or semi-matched nanoscale inclusions represented by structure AB. Here, A is an alkaline earth element composed of Be, Mg, Ca, Sr, Ba and Ra, and B is a chalcogen element composed of S, Se and Te (see, for example, Patent Document 1).

メゾスケール構造にナノスケール析出物が形成したPb0.98Na0.02Te−6at%MgTeの組成の複合材料や、ナノ構造化されたPb0.98Na0.02Te−8at%SrTeの組成の複合材料において、ZT値が923Kで2〜2.5が得られている(例えば、非特許文献2および3参照)。これらのナノ構造化されたPbTe材料により熱電発電モジュールのデバイス効率が590Kの温度差で11%が得られている(例えば、非特許文献4参照)。これらの材料は、市販の熱電変換材料のBi2Te3用いた熱電発電モジュールで得られているデバイス効率の2倍を達成している(例えば、非特許文献5参照)。 Composites and the mesoscale structure nanoscale precipitate formed was Pb 0.98 Na 0.02 composition of Te-6at% MgTe, in the composite material of the composition of Pb 0.98 Na 0.02 Te-8at% SrTe that is nanostructured, ZT value 2 to 2.5 was obtained at 923K (see, for example, Non-Patent Documents 2 and 3). With these nanostructured PbTe materials, the device efficiency of the thermoelectric power generation module is 11% with a temperature difference of 590 K (see, for example, Non-Patent Document 4). These materials have achieved twice the device efficiency obtained in a thermoelectric power generation module using the commercially available thermoelectric conversion material Bi 2 Te 3 (see, for example, Non-Patent Document 5).

国際公開第2011−037794号公報International Publication No. 2011-037794

K. Biswas et al., “High-performance bulk thermoelectrics with all-scale hierarchical architectures”, Nature, 2012, Vol. 489, p.414-418K. Biswas et al., “High-performance bulk thermoelectrics with all-scale hierarchical architectures”, Nature, 2012, Vol. 489, p.414-418 L. D. Zhao et al., “All-scale hierarchical thermoelectric: MgTe in PbTe facilitates valence band convergence and suppresses bipolar thermal transport for high performance”, Energy & Environmental Science, 2013, Vol. 6, p.3346-3355L. D. Zhao et al., “All-scale hierarchical thermoelectric: MgTe in PbTe facilitates valence band convergence and suppresses bipolar thermal transport for high performance”, Energy & Environmental Science, 2013, Vol. 6, p.3346-3355 Gangjian Tan et al., “Non-equilibrium processing leads to record high thermoelectric figure of merit in PbTe-SrTe”, Nature Communication, 2016, Vol. 7, 記事番号12167, p.1-9Gangjian Tan et al., “Non-equilibrium processing leads to record high thermoelectric figure of merit in PbTe-SrTe”, Nature Communication, 2016, Vol. 7, Article No. 12167, p.1-9 Xiaokai Hu et al., “Power generation from nanostructured PbTe-based thermoelectric: comprehensive development from materials to modules”, Energy & Environmental Science, 2016, Vol. 9, p.517-529Xiaokai Hu et al., “Power generation from nanostructured PbTe-based thermoelectric: comprehensive development from materials to modules”, Energy & Environmental Science, 2016, Vol. 9, p.517-529 太田道広,山本淳,「熱電変換で進む未利用熱エネルギーの有効活用」,エネルギー・資源,2013,第34巻、第6号,p.332−336Michihiro Ota, Jun Yamamoto, "Effective Utilization of Unused Thermal Energy by Thermoelectric Conversion", Energy and Resources, 2013, Vol. 34, No. 6, p.332-336

しかしながら、上述した熱電変換材料に含まれるBe、Mg、Ca、SrおよびBaは、酸化され易くかつ湿度に敏感であり、材料を作製する前の保存や取扱いが難しいだけではなく、PbTeに含まれているとその熱電変換材料は急速に劣化しやすい。 However, Be, Mg, Ca, Sr and Ba contained in the above-mentioned thermoelectric conversion material are not only difficult to store and handle before producing the material because they are easily oxidized and sensitive to humidity, but also are contained in PbTe. If so, the thermoelectric conversion material tends to deteriorate rapidly.

本発明の目的は、上記問題に鑑みてなされたもので、安定な特性を有し、高性能の熱電変換材料、およびその製造方法、熱電発電モジュール、並びにペルチェ冷却器を提供することである。 An object of the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a thermoelectric conversion material having stable characteristics and high performance, a method for manufacturing the same, a thermoelectric power generation module, and a Perche cooler.

本発明の一態様によれば、熱電変換材料であって、PbTeを含む基材と、上記基材中にC、Si、GeおよびSnからなる群から選択された少なくとも一つの元素(M)を含むナノ析出物と、を含む、上記熱電変換材料が提供される。 According to one aspect of the present invention, a thermoelectric conversion material containing a base material containing PbTe and at least one element (M) selected from the group consisting of C, Si, Ge and Sn in the base material. Provided are the thermoelectric conversion material comprising, including nanoprecipitates.

上記態様によれば、熱電変換材料は、C、Si、GeおよびSnからなる群から選択された少なくとも一つの元素Mを有するナノ析出物をPbTeの基材中に含むことで、劣化し易い材料を含んでいないので安定した特性を示し、高性能の熱電変換材料を提供できる。 According to the above aspect, the thermoelectric conversion material is a material that is easily deteriorated by containing a nanoprecipitate having at least one element M selected from the group consisting of C, Si, Ge and Sn in the base material of PbTe. Since it does not contain, it exhibits stable properties and can provide a high-performance thermoelectric conversion material.

本発明の他の態様によれば、熱電変換材料の作製方法であって、Pbと、Teと、C、Si、GeおよびSnからなる群から選択された少なくとも一つの元素(M)と、を含む材料を準備するステップと、上記準備した材料を真空中で加熱して溶解し、上記Mを含むナノ析出物を含む材料を得るステップと、を含む、上記作製方法が提供される。 According to another aspect of the present invention, a method for producing a thermoelectric conversion material, which comprises Pb, Te, and at least one element (M) selected from the group consisting of C, Si, Ge and Sn. The production method is provided, which comprises a step of preparing a material containing the material and a step of heating and melting the prepared material in a vacuum to obtain a material containing the nanoprecipitate containing the M.

上記態様によれば、鉛(Pb)とテルル(Te)と炭素(C)、ケイ素(Si)、ゲルマニウム(Ge)およびスズ(Sn)からなる群から選択された少なくとも一つの元素Mとを加熱、溶解することで、元素Mを含むナノ析出物を有するPbTe基材の熱電変換材料が得られる。この熱電変換材料には、劣化しやすい材料を用いていないので取り扱いが容易であり、得られた熱電変換材料は安定な特性を有する。 According to the above aspect, heating is heated with at least one element M selected from the group consisting of lead (Pb), tellurium (Te), carbon (C), silicon (Si), germanium (Ge) and tin (Sn). By dissolving, a thermoelectric conversion material of a PbTe substrate having nanoprecipitates containing the element M can be obtained. Since this thermoelectric conversion material does not use a material that easily deteriorates, it is easy to handle, and the obtained thermoelectric conversion material has stable properties.

本発明のその他の態様によれば、上記態様の熱電変換材料を有する熱電変換素子を備える、熱電発電モジュールが提供される。 According to another aspect of the present invention, there is provided a thermoelectric power generation module including a thermoelectric conversion element having the thermoelectric conversion material of the above aspect.

上記態様によれば、上記態様の熱電変換材料を有することで、特性の安定した高い発電性能の熱電発電モジュールが実現できる。 According to the above aspect, by having the thermoelectric conversion material of the above aspect, a thermoelectric power generation module having stable characteristics and high power generation performance can be realized.

本発明のその他の態様によれば、上記態様の熱電変換材料を有する熱電変換素子を備える、ペルチェ冷却器が提供される。 According to another aspect of the present invention, there is provided a Perche cooler comprising a thermoelectric cooling element having the thermoelectric conversion material of the above aspect.

上記態様によれば、上記態様の熱電変換材料を有することで、特性の安定した高い冷却能力のペルチェ冷却器が実現できる。 According to the above aspect, by having the thermoelectric conversion material of the above aspect, a Perche cooler having stable characteristics and a high cooling capacity can be realized.

本発明の第1の実施形態に係る熱電変換材料の透過電子顕微鏡写真である。It is a transmission electron micrograph of a thermoelectric conversion material which concerns on 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態に係る熱電変換材料の高角度散乱暗視野走査型透過電子顕微鏡写真およびエネルギー分散型X線分析画像である。It is a high-angle scattering dark-field scanning transmission electron micrograph and an energy dispersive X-ray analysis image of the thermoelectric conversion material according to the first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施形態に係る熱電変換材料の他の高角度散乱暗視野走査型透過電子顕微鏡写真およびエネルギー分散型X線分析画像である。Other high-angle scattering dark-field scanning transmission electron micrographs and energy dispersive X-ray analysis images of the thermoelectric conversion material according to the first embodiment of the present invention. 本発明の第1の実施形態に係る熱電変換材料の粉末X線回折パターンである。It is a powder X-ray diffraction pattern of the thermoelectric conversion material which concerns on 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態に係る熱電変換材料の作製方法を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the manufacturing method of the thermoelectric conversion material which concerns on 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態に係る熱電変換材料の実施例および比較例の電気抵抗率の温度依存性を示す図である。It is a figure which shows the temperature dependence of the electrical resistivity of the Example and the comparative example of the thermoelectric conversion material which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態に係る熱電変換材料の実施例および比較例のゼーベック係数の温度依存性を示す図である。It is a figure which shows the temperature dependence of the Seebeck coefficient of the Example and the comparative example of the thermoelectric conversion material which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施形態に係る熱電変換材料の実施例および比較例の出力因子の温度依存性を示す図である。It is a figure which shows the temperature dependence of the output factor of the Example and the comparative example of the thermoelectric conversion material which concerns on 1st Embodiment of this invention. (A)および(B)は、それぞれ、本発明の第1の実施形態に係る熱電変換材料の実施例および比較例の熱伝導率および格子熱伝導率の温度依存性を示す図である。(A) and (B) are diagrams showing the temperature dependence of the thermal conductivity and the lattice thermal conductivity of Examples and Comparative Examples of the thermoelectric conversion material according to the first embodiment of the present invention, respectively. 本発明の第1の実施形態に係る熱電変換材料の実施例および比較例の無次元熱電性能指数ZTの温度依存性を示す図である。It is a figure which shows the temperature dependence of the dimensionless thermoelectric figure of merit ZT of the Example and the comparative example of the thermoelectric conversion material which concerns on 1st Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係る熱電発電モジュールの概略図である。It is the schematic of the thermoelectric power generation module which concerns on one Embodiment of this invention. 本発明の一実施形態に係るペルチェ冷却器の概略図である。It is the schematic of the Perche cooler which concerns on one Embodiment of this invention.

以下、図面を参照しつつ本発明の一実施形態を説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

[第1の実施形態]
本発明の第1の実施形態に係る熱電変換材料は、ナノ構造化された第14族元素を含むテルル化鉛(PbTe)熱電変換材料であり、極めて高い無次元熱電性能指数ZT(約2.5)が得られた。
[First Embodiment]
The thermoelectric conversion material according to the first embodiment of the present invention is a lead (PbTe) tellurized thermoelectric conversion material containing a nanostructured Group 14 element, and has an extremely high dimensionless figure of merit ZT (about 2. 5) was obtained.

第1の実施形態に係る熱電変換材料は、PbTeの基材中に第14族元素である、炭素(C)、ケイ素(Si)、ゲルマニウム(Ge)およびスズ(Sn)からなる群から選択された少なくとも一つの元素(以下「M」または「元素M」と称する。)を含むナノ析出物を含む。非常に少量の元素Mを含むことで、PbTe基材中に異なる形状と様々な大きさのナノ析出物が一様に分散して現れており、ナノ析出物が様々な平均自由行程を有するフォノンを散乱すると考えられる。後述する実施例では、元素Mとして第14族元素のGeを含んでいるが、第14族元素に含まれる元素は電子配置が類似しているので、Geの代わりにC、Si、およびSnのいずれかを含んでいても、PbTe基材中においてGeの場合と同様の効果が得られると考えられ、さらに、Ge、C、Si、およびSnから2種以上を組み合わせてもよいと考えられる。 The thermoelectric conversion material according to the first embodiment is selected from the group consisting of Group 14 elements carbon (C), silicon (Si), germanium (Ge) and tin (Sn) in the base material of PbTe. Includes nanoprecipitates containing at least one element (hereinafter referred to as "M" or "element M"). By containing a very small amount of element M, nanoprecipitates of different shapes and sizes appear uniformly dispersed in the PbTe substrate, and the nanoprecipitates have various mean free paths. Is thought to scatter. In the examples described later, Ge, which is a Group 14 element, is contained as the element M. However, since the elements contained in the Group 14 element have similar electron arrangements, C, Si, and Sn are used instead of Ge. Even if any of them is contained, it is considered that the same effect as in the case of Ge can be obtained in the PbTe substrate, and further, it is considered that two or more kinds may be combined from Ge, C, Si, and Sn.

第1の実施形態に係る熱電変換材料は、P型の熱電変換材料であり、アクセプターとして、第1族元素(リチウム(Li)、ナトリウム(Na)、カリウム(K))、第11族元素(銅(Cu)、銀(Ag)、金(Au))および第13族元素(タリウム(Tl))からなる群から選択された少なくとも一つの元素(以下、「A」または「元素A」と称する。)を含んでもよい。後述する実施例では、元素AはNaであるが、Naの代わりに、Naと類似の電子構造を有する、第1族元素のNa以外の元素、第11族元素および第13族元素を含んでもよく、元素Mとともに、格子熱伝導率を低下させることができる。 The thermoelectric conversion material according to the first embodiment is a P-type thermoelectric conversion material, and as acceptors, Group 1 elements (lithium (Li), sodium (Na), potassium (K)), Group 11 elements ( At least one element selected from the group consisting of copper (Cu), silver (Ag), gold (Au)) and Group 13 element (thallium (Tl)) (hereinafter referred to as "A" or "element A"). .) May be included. In the examples described later, the element A is Na, but instead of Na, elements other than Na, which is a Group 1 element, and Group 11 elements and Group 13 elements, which have an electronic structure similar to Na, may be contained. Well, with the element M, the lattice thermal conductivity can be reduced.

第1の実施形態に係る熱電変換材料は、例えば、Pb1-x-yyxTeの組成式で表される。ここで、xおよびyは、Pb、元素Mおよび元素Aの総量に対して、それぞれ元素M、元素Aの含有量を原子比で表す。 The thermoelectric conversion material according to the first embodiment is represented by, for example, a composition formula of Pb 1-xy A y M x Te. Here, x and y represent the contents of the element M and the element A as atomic ratios with respect to the total amount of Pb, the element M and the element A, respectively.

元素Mの含有量xが0よりも大きく0.015以下であり、元素Aの含有量yが0よりも大きく0.1以下であることが好ましく、さらに、xが0.002以上でかつ0.012以下であることが好ましく、またさらに、xが0.007以上でかつ0.010以下であることが好ましい。 It is preferable that the content x of the element M is greater than 0 and 0.015 or less, the content y of the element A is greater than 0 and 0.1 or less, and further, x is 0.002 or more and 0. It is preferably .012 or less, and more preferably x is 0.007 or more and 0.010 or less.

また、上述したxの原子比を有する熱電変換材料の組成において、元素AはNaであり、yは0.04であることが好ましい。これにより、無次元熱電性能指数ZTを向上することができる。 Further, in the composition of the thermoelectric conversion material having an atomic ratio of x described above, the element A is preferably Na and y is preferably 0.04. Thereby, the dimensionless thermoelectric figure of merit ZT can be improved.

さらに、上述した熱電変換材料の組成において、元素MはGeであることがとくに好ましい。 Further, in the composition of the thermoelectric conversion material described above, it is particularly preferable that the element M is Ge.

図1は、本発明の第1の実施形態に係る熱電変換材料の透過電子顕微鏡写真である。この熱電変換材料の組成はPb0.953Na0.04Ge0.007Teであり、[001]軸方位の顕微鏡像である。 FIG. 1 is a transmission electron micrograph of a thermoelectric conversion material according to the first embodiment of the present invention. The composition of this thermoelectric conversion material is Pb 0.953 Na 0.04 Ge 0.007 Te, which is a microscopic image of [001] axial orientation.

図1を参照するに、基材の結晶中に格子整合した状態で埋め込まれた2つの異なる種類のナノ析出物が現れており、一方は、(a)の破線の楕円内に示すように、粒径(直径)が2〜5nmのディスク状であり、他方は(b)の破線の楕円内に示すように、粒径(直径)が5〜10nmの疑似球形である。これらのナノ析出物が、平均自由行程の短いフォノンを散乱することが可能である。 With reference to FIG. 1, two different types of nanoprecipitates appear lattice-matched embedded in the crystals of the substrate, one of which, as shown in the dashed ellipse of (a). The other is a disk shape having a particle size (diameter) of 2 to 5 nm, and the other is a pseudo-sphere having a particle size (diameter) of 5 to 10 nm as shown in the broken line ellipse of (b). These nanoprecipitates can scatter phonons with a short mean free path.

図2Aは、本発明の第1の実施形態に係る熱電変換材料の(i)は高角度散乱暗視野走査電子顕微鏡写真、(ii)および(iii)はエネルギー分散型X線分析画像である。この熱電変換材料の組成はPb0.953Na0.04Ge0.007Teであり、後述する方法で焼結したものであり、[220]軸方位の顕微鏡像である。 In FIG. 2A, (i) is a high-angle scattering dark-field scanning electron micrograph, and (ii) and (iii) are energy dispersive X-ray analysis images of the thermoelectric conversion material according to the first embodiment of the present invention. The composition of this thermoelectric conversion material is Pb 0.953 Na 0.04 Ge 0.007 Te, which is sintered by the method described later, and is a microscope image of [220] axial orientation.

図2Aを参照するに、(i)には、基材中の空隙(pore)に極めて大きな、長径が0.6μm程度のナノ析出物が現れていることが分かる。エネルギー分散型X線分析画像の(ii)によればそのナノ析出物にはGeを含む相が存在し、(iii)よればそのナノ析出物はPbを含んでいないことが分かる。また、発明者の検討によれば、そのナノ析出物には、Naが含まれていることが分かっており、ナノ析出物がGe−Naを含んでいる。 With reference to FIG. 2A, it can be seen that in (i), extremely large nanodepositions having a major axis of about 0.6 μm appear in the voids (pore) in the base material. According to (ii) of the energy dispersive X-ray analysis image, the nanoprecipitate has a phase containing Ge, and according to (iii), the nanoprecipitate does not contain Pb. Further, according to the study of the inventor, it is known that the nano-precipitate contains Na, and the nano-precipitate contains Ge-Na.

図2Bは、本発明の一実施形態に係る熱電変換材料の他の高角度散乱暗視野走査電子顕微鏡写真(i)、およびエネルギー分散型X線分析画像、(ii)および(iii)である。この熱電変換材料は、図2Aと同一のサンプルである。 FIG. 2B is another high-angle scattering darkfield scanning electron micrograph (i) and energy dispersive X-ray analysis images, (ii) and (iii) of the thermoelectric conversion material according to one embodiment of the present invention. This thermoelectric conversion material is the same sample as in FIG. 2A.

図2Bを参照するに、(i)には基材中に粒径5nm〜100nmの析出物が示されている。エネルギー分散型X線(EDX)分析画像の(ii)によれば少なくとも粒径20nm〜100nmのナノ析出物にはGeが含まれる相からなり、(iii)によればそれらのナノ析出物はPbを含んでいないことが分かる。また、本発明者の検討によれば、そのナノ析出物には、Naが含まれていることが分かっており、ナノ析出物がGe−Naを含んでいることが分かっている。 With reference to FIG. 2B, (i) shows precipitates having a particle size of 5 nm to 100 nm in the substrate. According to (ii) of the energy dispersive X-ray (EDX) analysis image, nanoprecipitates having a particle size of at least 20 nm to 100 nm consist of a phase containing Ge, and according to (iii), those nanoprecipitates are Pb. It can be seen that it does not contain. Further, according to the study of the present inventor, it is known that the nano-precipitate contains Na, and that the nano-precipitate contains Ge-Na.

なお、これらのEDX分析画像では、粒径5nmの析出物の分析は、装置の検出限界付近であるので、Geの含有が明確には示されていないが、粒径20nm〜100nmのナノ析出物がGe−Naを含んでいること、並びに(i)の透過電子顕微鏡画像が粒径5nmのナノ析出物が粒径20nmのナノ析出物と同様の形状であることから、粒径5nmのナノ析出物も同じ組成の析出物であると推定される。さらに、図1の粒径(直径)が2〜5nmのディスク状の析出物も同じ組成の析出物であると推定される。 In these EDX analysis images, since the analysis of the precipitate having a particle size of 5 nm is near the detection limit of the apparatus, the content of Ge is not clearly shown, but the nanoprecipitate having a particle size of 20 nm to 100 nm is not clearly shown. Contains Ge-Na, and the transmitted electron microscope image of (i) shows that the nanodeposition having a particle size of 5 nm has the same shape as the nanodeposition having a particle size of 20 nm. It is presumed that the substance is also a precipitate having the same composition. Further, it is presumed that the disk-shaped precipitate having a particle size (diameter) of 2 to 5 nm in FIG. 1 is also a precipitate having the same composition.

したがって、図1、図2Aおよび図2B、並びに発明者の検討によれば、PbTe基材中のGe−Naナノ析出物は、様々な粒径(2nm〜1μmの粒径)に亘っており、平均自由行程の短いフォノンから長いフォノンまで、幅広い範囲の平均自由行程を有するフォノンを効率的に散乱可能である。本願の明細書、特許請求の範囲、図面および要約において、用語「ナノ析出物」は、上述したように、基材の結晶中に析出した様々な粒径、例えば2nm〜1μmの粒径、の析出物を意味する。 Therefore, according to FIGS. 1, 2A and 2B, and the inventor's examination, the Ge-Na nanoprecipitates in the PbTe substrate have various particle sizes (particle size of 2 nm to 1 μm). It can efficiently scatter phonons with a wide range of mean free paths, from short to long mean free paths. In the specification, claims, drawings and abstracts of the present application, the term "nanoprecipitate" refers to various particle sizes precipitated in the crystals of a substrate, for example, particle sizes of 2 nm to 1 μm, as described above. Means a precipitate.

図3は、本発明の第1の実施形態に係る熱電変換材料の粉末X線回折パターンである。この本発明の一実施形態に係る熱電変換材料の組成は、Pb1-x-0.04Na0.04GexTe(x=0.007、0.01)である。なお、図3には、比較のためx=0のサンプルの回折パターンも示している。 FIG. 3 is a powder X-ray diffraction pattern of the thermoelectric conversion material according to the first embodiment of the present invention. The composition of the thermoelectric conversion material according to one embodiment of the present invention is Pb 1-x-0.04 Na 0.04 Ge x Te (x = 0.007,0.01). Note that FIG. 3 also shows the diffraction pattern of the sample with x = 0 for comparison.

図3を参照するに、粉末X線回折パターンには、面心立方格子構造(NaCl構造)のピークだけが現れており、副次相による回折パターンが現れていない。最も強度の高いピークである[200]回折線は、右上に拡大して示すように、Ge含有量が増加するにつれて高角側にシフトしていることが分かる。この高角側へのピークシフトは、PbTeの格子定数の減少、つまり、格子の収縮を示している。本発明者の検討によれば、PbTeの格子の収縮が、Ge原子の存在により、PbTeの格子からNa原子が押し出してPbTe基材中にGe−Naのナノ析出物を生じさせていると推察している。 With reference to FIG. 3, in the powder X-ray diffraction pattern, only the peak of the face-centered cubic lattice structure (NaCl structure) appears, and the diffraction pattern due to the secondary phase does not appear. It can be seen that the [200] diffraction line, which is the highest intensity peak, shifts to the higher angle side as the Ge content increases, as shown by expanding to the upper right. This peak shift to the high angle side indicates a decrease in the lattice constant of PbTe, that is, a contraction of the lattice. According to the study of the present inventor, it is presumed that the contraction of the PbTe lattice causes Na atoms to be extruded from the PbTe lattice due to the presence of Ge atoms to generate Ge-Na nanoprecipitates in the PbTe substrate. doing.

下記の表は、第1の実施形態に係る熱電変換材料(Pb0.953Na0.04Ge0.007TeおよびPb0.95Na0.04Ge0.01Te)のホール濃度pとホール移動度μhを示したものである。Pb0.96Na0.04Teは比較のために示している The table below shows the hole concentration p and the hole mobility μ h of the thermoelectric conversion materials (Pb 0.953 Na 0.04 Ge 0.007 Te and Pb 0.95 Na 0.04 Ge 0.01 Te) according to the first embodiment. Pb 0.96 Na 0.04 Te is shown for comparison

Figure 0006923182
上記の表を参照するに、PbTe中に少量(0.7原子%)であってもGeが存在すると、格子中のドーパント(アクセプター)であるNaの固溶度が減少する。その結果、Pb0.96Na0.04Teに対して、Pb0.953Na0.04Ge0.007TeおよびPb0.95Na0.04Ge0.01Teのホール濃度pがわずかに減少する。
Figure 0006923182
With reference to the above table, the presence of Ge in PbTe even in a small amount (0.7 atomic%) reduces the solid solubility of Na, which is a dopant (acceptor) in the lattice. As a result, the hole concentration p of Pb 0.953 Na 0.04 Ge 0.007 Te and Pb 0.95 Na 0.04 Ge 0.01 Te is slightly reduced with respect to Pb 0.96 Na 0.04 Te.

Ge−Naナノ析出物は、PbTe基材に整合して含まれている。すなわち、PbTe基材の結晶格子とGe−Naナノ析出物の結晶格子は、この熱電変換材料の電子構造がPbTe基材の電子構造に対してほとんど変化しないように、整合あるいは準整合して配列している。その結果、電荷キャリアが複合材料である熱電変換材料中を容易に、整合したナノ析出物に散乱されることなく移動可能であると考えられる。このことは、上記の表に示すように、電荷キャリアであるホールのホール移動度(μh)が、Pb0.96Na0.04Teに対して、Geを添加したPb0.953Na0.04Ge0.007TeおよびPb0.95Na0.04Ge0.01Teが大きく変化していないことから、明らかである。 The Ge-Na nanoprecipitate is contained consistently with the PbTe substrate. That is, the crystal lattice of the PbTe substrate and the crystal lattice of the Ge-Na nanoprecipitate are aligned or quasi-matched so that the electronic structure of the thermoelectric conversion material hardly changes with respect to the electronic structure of the PbTe substrate. doing. As a result, it is believed that charge carriers can easily move in the thermoelectric conversion material, which is a composite material, without being scattered by the matched nanoprecipitates. This means that, as shown in the above table, the hole mobilities (μ h ) of the holes, which are charge carriers, are Pb 0.96 Na 0.04 Te, while Ge-added Pb 0.953 Na 0.04 Ge 0.007 Te and Pb 0.95. This is clear from the fact that Na 0.04 Ge 0.01 Te has not changed significantly.

第1の実施形態に係る熱電変換材料によれば、熱電変換材料は、C、Si、GeおよびSnからなる群から選択された少なくとも一つの元素Mと、アクセプターとして、第1族元素、第11族元素および第13族元素からなる群から選択された少なくとも一つの元素Aとを有するナノ析出物をPbTeの基材中に含むことで、従来よりも高い無次元熱電性能指数ZTが達成できるとともに、劣化し易い材料を含んでいないので安定した特性を示すP型熱電変換材料を実現できる。 According to the thermoelectric conversion material according to the first embodiment, the thermoelectric conversion material includes at least one element M selected from the group consisting of C, Si, Ge and Sn, and as acceptors, Group 1 elements, eleventh elements. By including a nanoprecipitate having at least one element A selected from the group consisting of group elements and group 13 elements in the base material of PbTe, a higher dimensionless thermoelectric performance index ZT than before can be achieved. Since it does not contain a material that easily deteriorates, it is possible to realize a P-type thermoelectric conversion material that exhibits stable characteristics.

図4は、本発明の第1の実施形態に係る熱電変換材料の作製方法を示すフローチャートである。 FIG. 4 is a flowchart showing a method for producing a thermoelectric conversion material according to the first embodiment of the present invention.

以下、図4を参照しつつ本発明の第1の実施形態に係る熱電変換材料の作製方法を説明する。 Hereinafter, a method for producing a thermoelectric conversion material according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

最初に、鉛(Pb)とテルル(Te)と炭素(C)、ケイ素(Si)、ゲルマニウム(Ge)およびスズ(Sn)からなる群から選択された少なくとも一つの元素(M)とを含む材料を準備して封入する(S110)。具体的には、Pb、Teおよび元素Mの、好ましくは純度99.999%以上あるいは99.9999%以上の粉体あるいは粒子を準備し、下記の配合になるように秤量し、窒素雰囲気下で混合し、石英管に入れ排気して封入する。なお、材料の純度は以下に記載する元素も同様である。 First, a material containing lead (Pb), tellurium (Te) and at least one element (M) selected from the group consisting of carbon (C), silicon (Si), germanium (Ge) and tin (Sn). Is prepared and sealed (S110). Specifically, powders or particles of Pb, Te and element M having a purity of 99.999% or more or 99.9999% or more are prepared, weighed so as to have the following composition, and placed in a nitrogen atmosphere. Mix, put in a quartz tube, exhaust and seal. The purity of the material is the same for the elements described below.

上記材料の配合は、Te:Pb:M=1:1−x:xのモル比で調製し、xは0よりも大きく0.015以下としてもよい。ここで、Mは、上述したように、C、Si、GeおよびSnからなる群から選択された少なくとも一つの元素Mである。xは0.002以上0.012以下であることが好ましく、xは0.007以上で0.010以下であることがさらに好ましい。これにより従来よりも高い無次元熱電性能指数ZTが得られる。 The composition of the above materials may be prepared in a molar ratio of Te: Pb: M = 1: 1-x: x, where x may be greater than 0 and 0.015 or less. Here, M is at least one element M selected from the group consisting of C, Si, Ge and Sn, as described above. x is preferably 0.002 or more and 0.012 or less, and more preferably 0.007 or more and 0.010 or less. As a result, a dimensionless thermoelectric figure of merit ZT higher than the conventional one can be obtained.

さらに、アクセプター(ドーパント)として、第1族元素(リチウム(Li)、ナトリウム(Na)、カリウム(K))、第11族元素(銅(Cu)、銀(Ag)、金(Au))および第13族元素(Tl)からなる群から選択された少なくとも一つの元素(A)を添加する。配合は、Te:Pb:M:A=1:1−x−y:x:yのモル比で調製し、yは0よりも大きく0.1以下であることが好ましく、yは0.04であることがさらに好ましい。なお、xは上述した範囲から選択される。 Further, as acceptors (lactones), Group 1 elements (lithium (Li), sodium (Na), potassium (K)), Group 11 elements (copper (Cu), silver (Ag), gold (Au)) and At least one element (A) selected from the group consisting of Group 13 elements (Tl) is added. The composition is prepared with a molar ratio of Te: Pb: M: A = 1: 1-x-y: x: y, y is preferably greater than 0 and 0.1 or less, and y is 0.04. Is more preferable. Note that x is selected from the above range.

次いで、材料を加熱して溶解し、ナノ析出物を含むインゴットを得る(S120)。具体的には、材料が封入された石英管を、PbTeが融解する温度(1197K)以上の高温で数時間加熱し、室温まで徐冷し、インゴットを得る。これにより、ナノ構造体が析出した熱電変換材料が得られる。加熱温度は、1207K以上であることが好ましい。 The material is then heated and melted to give an ingot containing the nanoprecipitates (S120). Specifically, the quartz tube in which the material is sealed is heated at a high temperature equal to or higher than the temperature at which PbTe melts (1197K) for several hours, and slowly cooled to room temperature to obtain an ingot. As a result, a thermoelectric conversion material in which nanostructures are precipitated can be obtained. The heating temperature is preferably 1207 K or higher.

インゴット中の組成の均一化あるいは結晶配向のランダム化等の必要に応じて、S120の後に、インゴットを粉体化し、圧力下で焼結してもよい(S130)。具体的には、インゴットを乳鉢ですりつぶして多結晶の粉体にして、内径10mmあるいは15mmのグラファイトダイに充填し、放電プラズマ焼結(SPS)装置により一方向に加圧・加熱する。このSPS処理は例えば25MPaの圧力で、723K〜1147Kの温度範囲で、1時間から1.5時間行う。これにより、バルク材料の密度に対して99%の密度の直径10mmあるいは15mmの焼結体が得られる。 After S120, the ingot may be powdered and sintered under pressure, if necessary, such as homogenizing the composition in the ingot or randomizing the crystal orientation (S130). Specifically, the ingot is ground in a mortar to form a polycrystalline powder, filled in a graphite die having an inner diameter of 10 mm or 15 mm, and pressurized and heated in one direction by a discharge plasma sintering (SPS) device. This SPS treatment is carried out at a pressure of 25 MPa, for example, in a temperature range of 723K to 1147K for 1 hour to 1.5 hours. As a result, a sintered body having a diameter of 10 mm or 15 mm having a density of 99% of the density of the bulk material can be obtained.

第1の実施形態に係る熱電変換材料の作製方法によれば、鉛(Pb)とテルル(Te)と炭素(C)、ケイ素(Si)、ゲルマニウム(Ge)およびスズ(Sn)からなる群から選択された少なくとも一つの元素Mと、アクセプターとしてのドーパントの元素Aとを加熱、溶解することで、元素MおよびAを含むナノ析出物を有するPbTe基材の熱電変換材料が得られる。劣化しやすい材料を用いていないので、取り扱いが容易であり、得られた熱電変換材料は安定な特性を有する。 According to the method for producing a thermoelectric conversion material according to the first embodiment, it consists of a group consisting of lead (Pb), tellurium (Te), carbon (C), silicon (Si), germanium (Ge) and tin (Sn). By heating and melting at least one selected element M and the element A of the dopant as an acceptor, a thermoelectric conversion material of a PbTe substrate having nanoprecipitates containing the elements M and A can be obtained. Since no material that easily deteriorates is used, it is easy to handle, and the obtained thermoelectric conversion material has stable properties.

[実施例1]
最初に単元素の材料を秤量して、Pb(6.0480g)(大阪アサヒメタル製、純度99.9999%)、Te(3.9080g)(大阪アサヒメタル製、純度99.9999%)、Ge(0.0160g)(高純度化学研究所製、純度99.999%)、Na(0.0280g)(シグマアルドリッチ製、純度99.95%)を準備し、窒素雰囲気下で混合し、石英管に入れ、7×10-3Paまで排気して封入した。次いで、石英管に封入した材料を毎分1.2Kで昇温し、1323Kで10時間加熱した後、時間かけて室温まで冷却した。これにより9.9980gのPb0.953Na0.04Ge0.007Teのインゴットを得た。
[Example 1]
First, the single element material is weighed, Pb (6.0480 g) (Osaka Asahi Metal, purity 99.99999%), Te (3.9080 g) (Osaka Asahi Metal, purity 99.99999%), Ge. (0.0160 g) (manufactured by High Purity Chemical Laboratory, purity 99.999%) and Na (0.0280 g) (manufactured by Sigma-Aldrich, purity 99.95%) are prepared, mixed in a nitrogen atmosphere, and quartz tube. The mixture was placed in a container, exhausted to 7 × 10 -3 Pa, and sealed. Next, the material enclosed in the quartz tube was heated at 1.2 K / min, heated at 1323 K for 10 hours, and then cooled to room temperature over time. As a result, an ingot of 9.9980 g of Pb 0.953 Na 0.04 Ge 0.007 Te was obtained.

次にインゴットを乳鉢により粉体化し、その粉体の粉末X線回折パターンおよび透過電子顕微鏡写真で結晶構造を確認した(それぞれ図3、図1参照)。さらに、高角度散乱暗視野走査型透過電子顕およびエネルギー分散型X線分析機により、PbTe基材中のGe−Naナノ析出物が形成さえていることを確認した(図2A参照)。 Next, the ingot was powdered in a dairy pot, and the crystal structure was confirmed by the powder X-ray diffraction pattern and the transmission electron micrograph of the powder (see FIGS. 3 and 1, respectively). Furthermore, it was confirmed by a high-angle scattering dark-field scanning transmission electron microscope and an energy dispersive X-ray analyzer that Ge-Na nanoprecipitates in the PbTe substrate were even formed (see FIG. 2A).

次に、粉体化されたPb0.953Na0.04Ge0.007Te材料を、内径10mmと15mmのグラファイトダイに充填し、放電プラズマ焼結(SPS)装置により一方向に30MPa加圧し、773Kで1時間30分加熱した。これにより、この材料のバルクの密度の98%以上の密度の直径10mmと15mmのPb0.953Na0.04Ge0.007Te焼結体が得られた。 Next, the powdered Pb 0.953 Na 0.04 Ge 0.007 Te material was filled into graphite dies with inner diameters of 10 mm and 15 mm, pressurized by 30 MPa in one direction by a discharge plasma sintering (SPS) device, and pressed at 773 K for 1 hour 30. Heated for minutes. As a result, Pb 0.953 Na 0.04 Ge 0.007 Te sintered bodies having a diameter of 10 mm and 15 mm having a density of 98% or more of the bulk density of this material were obtained.

次に、この焼結体の電気抵抗率ρ(μΩ m)、ゼーベック係数S(μVK-1)、熱伝導率κtotal(WK-1-1)、格子熱伝導率κlat (WK-1-1)を300K〜920Kの温度範囲で測定した。また、これらの結果から出力因子、無次元熱電性能指数を得た。 Next, the electrical resistivity of this sintered body is ρ (μΩ m), the Seebeck coefficient S (μVK -1 ), the thermal conductivity κ total (WK -1 m -1 ), and the lattice thermal conductivity κ lat (WK -1). m -1 ) was measured in the temperature range of 300K to 920K. Moreover, the output factor and the dimensionless thermoelectric figure of merit were obtained from these results.

[実施例2]
単元素の材料Pb(6.0360g)、Te(3.9130g)、Ge(0.0220g)、Na(0.0280g)を秤量して、実施例1と同様にしてPb0.95Na0.04Ge0.01Teの組成の焼結体を作製し、測定を行った。
[Example 2]
Weighing the single element materials Pb (6.0360 g), Te (3.9130 g), Ge (0.0220 g), and Na (0.0280 g), Pb 0.95 Na 0.04 Ge 0.01 Te in the same manner as in Example 1. A sintered body having the composition of (1) was prepared and measured.

[実施例3]
単元素の材料Pb(6.0170g)、Te(3.9210g)、Na(0.0330g)、Ge(0.280g)を秤量して、実施例1と同様にしてPb0.945Na0.04Ge0.015Teの組成の焼結体を作製した。次に、この焼結体の電気抵抗率ρ(μΩ m)、ゼーベック係数S(μVK-1)、を300K〜920Kの温度で測定した。また、これらの結果から出力因子を得た。
[Example 3]
Weighing the single element materials Pb (6.0170 g), Te (3.9210 g), Na (0.0330 g), and Ge (0.280 g), Pb 0.945 Na 0.04 Ge 0.015 Te in the same manner as in Example 1. A sintered body having the composition of the above was prepared. Next, the electrical resistivity ρ (μΩ m) and the Seebeck coefficient S (μVK -1 ) of this sintered body were measured at a temperature of 300 K to 920 K. In addition, output factors were obtained from these results.

[比較例]
単元素の材料Pb(6.0750g)、Te(3.8970g)、Na(0.0280g)を秤量して、実施例1と同様にしてPb0.96Na0.04Teの組成の焼結体を作製し、測定を行った。
[Comparison example]
The single element materials Pb (6.0750 g), Te (3.8970 g), and Na (0.0280 g) were weighed to prepare a sintered body having a composition of Pb 0.96 Na 0.04 Te in the same manner as in Example 1. , The measurement was performed.

図5は、本発明の第1の実施形態に係る熱電変換材料の実施例および比較例の電気抵抗率の温度依存性を示す図である。 FIG. 5 is a diagram showing the temperature dependence of the electrical resistivity of the examples and comparative examples of the thermoelectric conversion material according to the first embodiment of the present invention.

図5を参照するに、電気抵抗率ρは、300K〜920Kの温度の全範囲で実施例1、2および3の組成では、比較例よりも高くなっていることが分かる。1/ρ=p×e×μの関係からホール濃度pがより低いことによって実施例1、2および3が比較例よりも電気抵抗率が高くなっていることが分かる。ここで、μはホール移動度であり、eは電気素量である。 With reference to FIG. 5, it can be seen that the electrical resistivity ρ is higher in the compositions of Examples 1, 2 and 3 over the entire temperature range of 300K to 920K than in Comparative Examples. From the relationship of 1 / ρ = p × e × μ h , it can be seen that the electrical resistivity of Examples 1, 2 and 3 is higher than that of Comparative Example due to the lower Hall concentration p. Here, μ h is the hole mobility, and e is an elementary charge.

図6は、本発明の第1の実施形態の実施例および比較例のゼーベック係数の温度依存性を示す図である。 FIG. 6 is a diagram showing the temperature dependence of the Seebeck coefficient of Examples and Comparative Examples of the first embodiment of the present invention.

図6を参照するに、ゼーベック係数Sは、m*T(π/3p)2/3に比例する。ここでm*はキャリア有効質量、Tは温度、pはホール濃度である。この関係により、300K〜920Kの温度の全範囲で、実施例1、2および3では比較例に対してホール濃度pの減少によりゼーベック係数Sは増加することが分かる。 With reference to FIG. 6, the Seebeck coefficient S is proportional to m * T (π / 3p) 2/3. Here, m * is the effective carrier mass, T is the temperature, and p is the hole concentration. From this relationship, it can be seen that the Seebeck coefficient S increases as the Hall concentration p decreases in Examples 1, 2 and 3 over the entire temperature range of 300K to 920K as compared with Comparative Examples.

図7は、本発明の第1の実施形態の実施例および比較例の出力因子の温度依存性を示す図である。 FIG. 7 is a diagram showing the temperature dependence of the output factors of the examples and comparative examples of the first embodiment of the present invention.

図7を参照するに、出力因子(S2/ρ)は、Sの増加がρの減少を打ち消すので、300K〜920Kの温度の全範囲で、実施例1および2は比較例に対して顕著な変化はないことが分かる。実施例3はやや低下しているが、それほど大きくはない。これは、Ge−Naナノ析出物がPbTe基材の出力因子(S2/ρ)に対して効果が非常に小さいことが分かる。 With reference to FIG. 7, for the output factor (S 2 / ρ), Examples 1 and 2 are more prominent than Comparative Examples over the entire temperature range of 300K to 920K, as the increase in S cancels out the decrease in ρ. It can be seen that there is no significant change. Example 3 is slightly reduced, but not so large. It can be seen that the Ge-Na nanoprecipitate has a very small effect on the output factor (S 2 / ρ) of the PbTe substrate.

図8(A)および(B)は、それぞれ、本発明の第1の実施形態に係る熱電変換材料の実施例および比較例の熱伝導率および格子熱伝導率の温度依存性を示す図である。 8 (A) and 8 (B) are diagrams showing the temperature dependence of the thermal conductivity and the lattice thermal conductivity of Examples and Comparative Examples of the thermoelectric conversion material according to the first embodiment of the present invention, respectively. ..

図8(A)および(B)を参照するに、熱伝導率(κtotal)および格子熱伝導率(κlat)は、300K〜860Kの温度範囲に亘って、実施例1および2は、比較例に対して30%〜20%低減されている。最も低い格子熱伝導率(κlat)は、実施例1で700Kの温度において0.31WK-1-1であった。これは、様々な大きさと形状のGe−Naナノ析出物からのフォノン散乱が効果的であるためと考えられる。なお、実施例3は測定結果が得られていないが、実施例1および2と同程度であると推定される。 With reference to FIGS. 8A and 8B , Examples 1 and 2 have comparative thermal conductivity (κ total ) and lattice thermal conductivity (κ lat ) over a temperature range of 300K to 860K. It is reduced by 30% to 20% compared to the example. The lowest lattice thermal conductivity (κ lat ) was 0.31 WK -1 m -1 at a temperature of 700 K in Example 1. It is considered that this is because phonon scattering from Ge-Na nanoprecipitates of various sizes and shapes is effective. Although no measurement results have been obtained in Example 3, it is estimated that the measurement results are similar to those in Examples 1 and 2.

図9は、本発明の第1の実施形態に係る熱電変換材料の実施例および比較例の無次元熱電性能指数ZTの温度依存性を示す図である。 FIG. 9 is a diagram showing the temperature dependence of the dimensionless thermoelectric figure of merit ZT of Examples and Comparative Examples of the thermoelectric conversion material according to the first embodiment of the present invention.

図9を参照するに、実施例1および2は、比較例よりも無次元熱電性能指数ZTが300K〜920Kの範囲で非常に高くなっており、700Kから850Kに亘って2.0以上であることが分かる。特に、比較例の最大値(810K)の1.76に対して、実施例1は720Kにおいて最大値2.5を示していることが分かる。なお、実施例3は熱伝導率の測定結果が得られていないため、無次元熱電性能指数ZTを算出していないが、実施例1および2と同程度であると推定される。 With reference to FIG. 9, in Examples 1 and 2, the dimensionless thermoelectric figure of merit ZT is much higher in the range of 300K to 920K than in Comparative Example, and is 2.0 or more from 700K to 850K. You can see that. In particular, it can be seen that Example 1 shows a maximum value of 2.5 at 720K, while the maximum value (810K) of Comparative Example is 1.76. Since the measurement result of the thermal conductivity was not obtained in Example 3, the dimensionless thermoelectric figure of merit ZT was not calculated, but it is estimated to be about the same as in Examples 1 and 2.

これは、基材の結晶格子と様々な大きさと形状のGe−Naナノ析出物の結晶格子とが、部分的あるいは十分に結晶学的に整列されていることで、電子輸送には影響を与えず、一方で、Ge−Naナノ析出物がフォノンを効果的に散乱するので、それによって無次元熱電性能指数ZTが増加したものと考えられる。 This is because the crystal lattice of the base material and the crystal lattice of Ge-Na nanoprecipitates of various sizes and shapes are partially or sufficiently crystallographically aligned, which affects electron transport. On the other hand, it is considered that the Ge-Na nanoprecipitate effectively scatters phonons, which increases the dimensionless thermoelectric performance index ZT.

[第2の実施形態]
本発明の第2の実施形態に係る熱電変換材料は、上述した第1の実施形態に係る熱電変
換材料と同様の、PbTeを含む基材中に第14族元素である、C、Si、Ge、Snからなる群から選択された少なくとも一つの元素Mを含むナノ析出物を含むものである。
[Second Embodiment]
The thermoelectric conversion material according to the second embodiment of the present invention is the same as the thermoelectric conversion material according to the first embodiment described above, and is a Group 14 element in a substrate containing PbTe, C, Si, Ge. , Sn contains nanoprecipitates containing at least one element M selected from the group.

第2の実施形態に係る熱電変換材料は、N型熱電変換材料であり、ドナーとなる、第17族元素である塩素(Cl),臭素(Br)およびヨウ素(I)から選択された少なくとも一つの元素(以下、「X」と称する。)を含んでもよい。 The thermoelectric conversion material according to the second embodiment is an N-type thermoelectric conversion material, and is at least one selected from group 17 elements chlorine (Cl), bromine (Br) and iodine (I), which are donors. It may contain one element (hereinafter, referred to as "X").

第2の実施形態に係る熱電変換材料は、例えば、Pb1-xxTe1-zzの組成式で表される。ここで、xは、Pbおよび元素Mの総量に対して元素Mの原子比を表し、xが0よりも大きく0.015以下であることが好ましい。xは、0.002以上でかつ0.012以下であることがさらに好ましく、xが0.007以上でかつ0.010以下であることがとくに好ましい。 The thermoelectric conversion material according to the second embodiment is represented by, for example, a composition formula of Pb 1-x M x Te 1-z X z. Here, x represents the atomic ratio of the element M to the total amount of Pb and the element M, and it is preferable that x is larger than 0 and 0.015 or less. It is more preferable that x is 0.002 or more and 0.012 or less, and it is particularly preferable that x is 0.007 or more and 0.010 or less.

zは、TeおよびドナーXの総量に対してドナーXの原子比を表し、zが0よりも大きく0.01以下であることが好ましい。zは、0.002以上でかつ0.006以下であることがさらに好ましく、zが0.004であることが特に好ましい。 z represents the atomic ratio of donor X to the total amount of Te and donor X, and z is preferably greater than 0 and less than 0.01. z is more preferably 0.002 or more and 0.006 or less, and z is particularly preferably 0.004.

なお、上述した熱電変換材料の組成において、元素MはGeであることがとくに好ましい。 In the composition of the thermoelectric conversion material described above, it is particularly preferable that the element M is Ge.

第2の実施形態に係る熱電変換材料は、上述した第1の実施形態の熱電変換材料と同様の結晶構造(NaCl構造)を有すると考えられ、第1の実施形態と同様の元素Mを同量含有することで、PbTe基材に対してナノ析出物は同様の作用・効果を有すると考えられる。これにより、第1の実施形態と同様の高い無次元熱電性能指数ZTを達成できるとともに、劣化し易い材料を含んでいないので安定した特性を示すN型熱電変換材料を実現できる。 The thermoelectric conversion material according to the second embodiment is considered to have the same crystal structure (NaCl structure) as the thermoelectric conversion material of the first embodiment described above, and has the same element M as that of the first embodiment. It is considered that the nanoprecipitate has the same action and effect on the PbTe substrate by containing the amount. As a result, the same high dimensionless thermoelectric figure of merit ZT as in the first embodiment can be achieved, and an N-type thermoelectric conversion material exhibiting stable characteristics can be realized because it does not contain a material that easily deteriorates.

本発明の第2の実施形態に係る熱電変換材料の作製方法を説明する。第2の実施形態に係る熱電変換材料の作製方法は、第1の実施形態に係る熱電変換材料の作製方法を示す図4のフローチャートの材料を準備するステップ(S110)において、元素Aの代わり、ドナーとして、第17族元素(Cl,Br、I)から選択された少なくとも一つの元素(X)を添加する。この元素Xの添加は、例えば、第17族元素(Cl,Br、I)単体での添加、または、第17族元素(Cl,Br、I)を含みTe、Pbおよび元素Mのうちいずれかとの化合物、例えば、PbCl2、PbBr2、PbI2を出発原料とする。このこと以外は、第1の実施形態に係る熱電変換材料の作製方法と同様であり、その説明を省略する。材料を準備するステップにおける配合は、Te:Pb:M:X=1−z:1−x:x:zのモル比で調製する。元素Xの添加量zが0よりも大きく0.01以下であることが好ましく、zが0.002以上でかつ0.006以下であることがさらに好ましく、zが0.004であることが特に好ましい。 A method for producing a thermoelectric conversion material according to a second embodiment of the present invention will be described. The method for producing the thermoelectric conversion material according to the second embodiment is described in place of the element A in the step (S110) of preparing the material in the flowchart of FIG. 4 showing the method for producing the thermoelectric conversion material according to the first embodiment. As a donor, at least one element (X) selected from Group 17 elements (Cl, Br, I) is added. The addition of this element X is, for example, addition of the 17th group element (Cl, Br, I) alone, or the addition of the 17th group element (Cl, Br, I) including Te, Pb and the element M. Compounds such as PbCl 2 , PbBr 2 , and PbI 2 are used as starting materials. Other than this, the method is the same as the method for producing the thermoelectric conversion material according to the first embodiment, and the description thereof will be omitted. The formulation in the step of preparing the material is prepared in a molar ratio of Te: Pb: M: X = 1-z: 1-x: x: z. The addition amount z of the element X is preferably greater than 0 and 0.01 or less, more preferably z is 0.002 or more and 0.006 or less, and particularly preferably z is 0.004. preferable.

第2の実施形態に係る熱電変換材料の作製方法によれば、鉛(Pb)とテルル(Te)と炭素(C)、ケイ素(Si)、ゲルマニウム(Ge)およびスズ(Sn)からなる群から選択された少なくとも一つの元素Mと、ドナーとしてのドーパントの元素Xあるいは元素XとPb、Te、および元素Mのうちいずれかとの化合物とを加熱、溶解することで、元素MおよびXを含むナノ析出物を有するPbTe基材の熱電変換材料が得られる。劣化しやすい材料を用いていないので、取り扱いが容易であり、得られた熱電変換材料は安定な特性を有する。 According to the method for producing a thermoelectric conversion material according to the second embodiment, it consists of a group consisting of lead (Pb), tellurium (Te), carbon (C), silicon (Si), germanium (Ge) and tin (Sn). Nano containing elements M and X by heating and melting at least one selected element M and a compound of element X or element X as a donor and one of Pb, Te, and element M. A thermoelectric conversion material of a PbTe substrate having a precipitate is obtained. Since no material that easily deteriorates is used, it is easy to handle, and the obtained thermoelectric conversion material has stable properties.

[熱電発電モジュール]
図10は、本発明の一実施形態に係る熱電発電モジュールの概略図である。
[Thermoelectric power generation module]
FIG. 10 is a schematic view of a thermoelectric power generation module according to an embodiment of the present invention.

図10を参照するに、本発明の一実施形態に係る熱電発電モジュール10は、P型熱電変換素子21と、N型熱電変換素子22と、P型熱電変換素子21およびN型熱電変換素子22のそれぞれ一方の側に接触する電極30と、P型熱電変換素子21の他方の側に接触する電極41と、N型熱電変換素子22の他方の側に接触する電極42とを有する。 With reference to FIG. 10, the thermoelectric power generation module 10 according to the embodiment of the present invention includes a P-type thermoelectric conversion element 21, an N-type thermoelectric conversion element 22, a P-type thermoelectric conversion element 21, and an N-type thermoelectric conversion element 22. It has an electrode 30 that contacts one side of each of the above, an electrode 41 that contacts the other side of the P-type thermoelectric conversion element 21, and an electrode 42 that contacts the other side of the N-type thermoelectric conversion element 22.

P型熱電変換素子21は、上述した第1の実施形態の熱電変換材料を有してもよく、公知のP型熱電変換材料を有してもよい。 The P-type thermoelectric conversion element 21 may have the thermoelectric conversion material of the first embodiment described above, or may have a known P-type thermoelectric conversion material.

N型熱電変換素子22は、上述した第2の実施形態の熱電変換材料を有してもよく、公知のN型熱電変換材料を有してもよい。 The N-type thermoelectric conversion element 22 may have the thermoelectric conversion material of the second embodiment described above, or may have a known N-type thermoelectric conversion material.

電極30、41、42は金属からなり、公知の金属材料を用いることができる。 The electrodes 30, 41, and 42 are made of metal, and a known metal material can be used.

熱電発電モジュール10は、電極30に高温体を接触させ、電極41、42に低温体を接触することで、電極30に接触するP型熱電変換素子21およびN型熱電変換素子22の部分のキャリア濃度(それぞれホール濃度、電子濃度)が増大し、そのキャリアがそれぞれ電極41、42側へ拡散する。これにより、電流が電極42からN型熱電変換素子22、電極30およびP型熱電変換素子21を介して電極41に流れることにより、電極41に対して電極42に正電圧が生じる。これにより発電が可能である。 The thermoelectric power generation module 10 is a carrier of a portion of the P-type thermoelectric conversion element 21 and the N-type thermoelectric conversion element 22 that come into contact with the electrodes 30 by bringing the high-temperature body into contact with the electrodes 30 and the low-temperature body with the electrodes 41 and 42. The concentrations (hole concentration and electron concentration, respectively) increase, and the carriers diffuse to the electrodes 41 and 42, respectively. As a result, a current flows from the electrode 42 to the electrode 41 via the N-type thermoelectric conversion element 22, the electrode 30, and the P-type thermoelectric conversion element 21, and a positive voltage is generated in the electrode 42 with respect to the electrode 41. This makes it possible to generate electricity.

本実施形態によれば、P型熱電変換素子21が第1の実施形態の熱電変換材料を有することで、特性の安定した高い発電性能の熱電発電モジュール10が実現できる。また、N型熱電変換素子22が第2の実施形態の熱電変換材料を有することで、特性の安定した高い発電性能の熱電発電モジュール10が実現できる。またさらに、第1の実施形態の熱電変換材料のP型熱電変換素子21と第2の実施形態の熱電変換材料のN型熱電変換素子22を有することで、特性の安定した、より高い発電性能の熱電発電モジュール10が実現できる。 According to the present embodiment, since the P-type thermoelectric conversion element 21 has the thermoelectric conversion material of the first embodiment, the thermoelectric power generation module 10 having stable characteristics and high power generation performance can be realized. Further, since the N-type thermoelectric conversion element 22 has the thermoelectric conversion material of the second embodiment, the thermoelectric power generation module 10 having stable characteristics and high power generation performance can be realized. Furthermore, by having the P-type thermoelectric conversion element 21 of the thermoelectric conversion material of the first embodiment and the N-type thermoelectric conversion element 22 of the thermoelectric conversion material of the second embodiment, the characteristics are stable and the power generation performance is higher. The thermoelectric power generation module 10 can be realized.

[ペルチェ冷却器]
図11は、本発明の一実施形態に係るペルチェ冷却器の概略図である。
[Pelche cooler]
FIG. 11 is a schematic view of a Pelche cooler according to an embodiment of the present invention.

図11を参照するに、本発明の一実施形態に係るペルチェ冷却器50は、P型熱電変換素子21と、N型熱電変換素子22と、P型熱電変換素子21およびN型熱電変換素子22のそれぞれ一方の側に接触する電極30と、P型熱電変換素子21の他方の側に接触する電極41と、N型熱電変換素子22の他方の側に接触する電極42と、電極41、42に接続され、電極41に正電圧、電極42に負電圧を印加する電源部60とを有する。なお、P型熱電変換素子21、N型熱電変換素子22、電極30、41、42は、図10に示したものと同様であるので、同じ符号を付し、それらの詳細な説明を省略する。 With reference to FIG. 11, the Perche cooler 50 according to the embodiment of the present invention includes a P-type thermoelectric conversion element 21, an N-type thermoelectric conversion element 22, a P-type thermoelectric conversion element 21, and an N-type thermoelectric conversion element 22. An electrode 30 that contacts one side of the P-type thermoelectric conversion element 21, an electrode 41 that contacts the other side of the P-type thermoelectric conversion element 21, an electrode 42 that contacts the other side of the N-type thermoelectric conversion element 22, and electrodes 41 and 42. It has a power supply unit 60 which is connected to the electrode 41 and applies a positive voltage to the electrode 41 and a negative voltage to the electrode 42. Since the P-type thermoelectric conversion element 21, the N-type thermoelectric conversion element 22, and the electrodes 30, 41, and 42 are the same as those shown in FIG. 10, they are designated by the same reference numerals and detailed description thereof will be omitted. ..

電源部60は、直流電圧源で十分に電流を供給可能であれば特に限定されない。 The power supply unit 60 is not particularly limited as long as the DC voltage source can sufficiently supply the current.

ペルチェ冷却器50は、電源部60により供給された電流が、電極42からN型熱電変換素子22、電極30,P型熱電変換素子21、電極41の順に流れることで、電極30側の冷却対象物から吸熱し、P型熱電変換素子21では電極30側でホールがエネルギーを吸収して電極41側で放出し、N型熱電変換素子22では電極30側で電子がエネルギーを吸収して電極42側でエネルギーを放出することで、冷却対象物を冷却できる。 In the Pelche cooler 50, the current supplied by the power supply unit 60 flows from the electrode 42 in the order of the N-type thermoelectric conversion element 22, the electrode 30, the P-type thermoelectric conversion element 21, and the electrode 41, so that the cooling target on the electrode 30 side is Heat is absorbed from an object, and in the P-type thermoelectric conversion element 21, holes absorb energy on the electrode 30 side and release it on the electrode 41 side, and in the N-type thermoelectric conversion element 22, electrons absorb energy on the electrode 30 side and the electrode 42. By releasing energy on the side, the object to be cooled can be cooled.

本実施形態によれば、P型熱電変換素子21に、第1の実施形態の熱電変換材料を有することで、特性の安定した高い冷却能力のペルチェ冷却器50が実現できる。また、N型熱電変換素子22に、第2の実施形態の熱電変換材料を有することで、特性の安定した高い冷却能力のペルチェ冷却器50が実現できる。また、第1の実施形態の熱電変換材料のP型熱電変換素子21と第2の実施形態の熱電変換材料のN型熱電変換素子22を有することで、特性の安定した、より高い冷却能力のペルチェ冷却器50が実現できる。 According to the present embodiment, by having the thermoelectric conversion material of the first embodiment in the P-type thermoelectric cooling element 21, the Perche cooler 50 having stable characteristics and high cooling capacity can be realized. Further, by having the thermoelectric conversion material of the second embodiment in the N-type thermoelectric conversion element 22, the Perche cooler 50 having stable characteristics and high cooling capacity can be realized. Further, by having the P-type thermoelectric conversion element 21 of the thermoelectric conversion material of the first embodiment and the N-type thermoelectric conversion element 22 of the thermoelectric conversion material of the second embodiment, the characteristics are stable and the cooling capacity is higher. The Pelche cooler 50 can be realized.

以上、本発明の好ましい実施形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、請求の範囲に記載された本発明の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。本発明の熱電変換材料、その製造方法、および熱電発電モジュールは、様々な熱源、例えば、自動車、火力発電所、データセンター等に適用できることは言うまでもない。また、本発明のペルチェ冷却器は、様々な対象物を冷却可能であることは言うまでもない。 Although the preferred embodiment of the present invention has been described in detail above, the present invention is not limited to the specific embodiment, and various modifications and changes can be made within the scope of the present invention described in the claims. It is possible. It goes without saying that the thermoelectric conversion material of the present invention, a method for producing the same, and a thermoelectric power generation module can be applied to various heat sources such as automobiles, thermal power plants, data centers, and the like. Needless to say, the Perche cooler of the present invention can cool various objects.

なお、以上の説明に関してさらに以下の付記を開示する。
(付記1) 熱電変換材料であって、
PbTeを含む基材と、
前記基材中にC、Si、GeおよびSnからなる群から選択された少なくとも一つの元素(M)を含むナノ析出物と、
を含む、前記熱電変換材料。
(付記2) 当該熱電変換材料は、第1族元素、第11族元素および第13族元素からなる群から選択された少なくとも一つの元素(A)を含む、付記1記載の熱電変換材料。
(付記3) 当該熱電変換材料は、Pb1-x-yyxTeの組成式で表され、xおよびyは、Pb、MおよびAの総量に対して、それぞれM、Aの原子比を表し、xが0よりも大きく0.015以下であり、yが0よりも大きく0.1以下である、付記2記載の熱電変換材料。
(付記4) 前記xが0.002以上でかつ0.012以下である、付記3記載の熱電変換材料。
(付記5) 前記xが0.007以上でかつ0.010以下である、付記3記載の熱電変換材料。
(付記6) 前記AはNaであり、yは0.04である、付記3〜5のうちいずれか一項記載の熱電変換材料。
(付記7) 前記MはGeである、付記1〜6のうちいずれか一項記載の熱電変換材料。
(付記8) 熱伝導率が、700Kから900Kに亘って、1.3WK-1-1以下である、付記1〜7のうちいずれか一項記載の熱電変換材料。
(付記9) 無次元熱電性能指数ZTが、700Kから850Kに亘って、2.0以上である、付記1〜8のうちいずれか一項記載の熱電変換材料。
(付記10) 前記ナノ析出物は、粒径が2nm〜1μmである、付記1〜9のうちいずれか一項記載の熱電変換材料。
(付記11) 当該熱電変換材料は、第17族元素から選択された少なくとも一つの元素(X)を含む、付記1記載の熱電変換材料。
(付記12) 当該熱電変換材料は、Pb1-xxTe1-zzの組成式で表され、xは、PbおよびMの総量に対してMの原子比を表し、xが0よりも大きく0.015以下であり、zは、TeおよびXの総量に対してXの原子比を表し、zが0よりも大きく0.01以下である、付記11記載の熱電変換材料。
(付記13) 前記zが0.002以上でかつ0.006以下である、付記12記載の熱電変換材料。
(付記14) 前記zが0.004である、付記12記載の熱電変換材料。
(付記15) 前記xが0.002以上でかつ0.012以下である、付記12〜14のうちいずれか一項記載の熱電変換材料。
(付記16) 前記xが0.007以上でかつ0.010以下である、付記12〜15のうちいずれか一項記載の熱電変換材料。
(付記17) 前記MはGeである、付記12〜16のうちいずれか一項記載の熱電変換材料。
(付記18) 前記ナノ析出物は、粒径が2nm〜1μmである、付記11〜17のうちいずれか一項記載の熱電変換材料。
(付記19) 熱電変換材料の作製方法であって、
Pbと、Teと、C、Si、GeおよびSnからなる群から選択された少なくとも一つの元素(M)と、を含む材料を準備するステップと、
前記準備した材料を真空中で加熱して溶解し、前記Mを含むナノ析出物を含む材料を得るステップと、
を含む、前記作製方法。
(付記20) 前記準備するステップにおいて、
前記材料がTe:Pb:M=1:1−x:xのモル比で調製し、xは0よりも大きく0.015以下である、付記19記載の作製方法。
(付記21) 前記xは0.002以上で0.012以下である、付記20記載の作製方法。
(付記22) 前記xは0.005以上で0.010以下である、付記20記載の作製方法。
(付記23) 前記準備するステップにおいて、前記材料は、第1族元素、第11族元素および第13族元素からなる群から選択された少なくとも一つの元素(A)をさらに含み、
Te:Pb:M:A=1:1−x−y:x:yのモル比で調製し、yは0よりも大きく0.1以下である、付記20〜22のうちいずれか一項記載の作製方法。
(付記24) 前記準備するステップにおいて、前記材料は、第17族元素から選択された少なくとも一つの元素(X)をさらに含み、Te:Pb:M:X=1−z:1−x:x:zのモル比で調製し、zは0よりも大きく0.01以下である、付記20〜22のうちいずれか一項記載の作製方法。
(付記25) 前記溶解するステップおいて、前記材料を1207K以上の温度まで加熱する、付記19〜24のうちいずれか一項記載の作製方法。
(付記26) 前記溶解するステップによって得られた材料を粉砕して粉体にして、圧力下で焼結するステップと、
をさらに含む、付記19〜25のうちいずれか一項記載の作製方法。
(付記27) 付記1〜18のうちいずれか一項記載の熱電変換材料を有する熱電変換素子を備える、熱電発電モジュール。
(付記28) 付記2〜10のうちいずれか一項記載の熱電変換材料を有するP型熱電変換素子を備える、熱電発電モジュール。
(付記29) 付記11〜18のうちいずれか一項記載の熱電変換材料を有するN型熱電変換素子を備える、熱電発電モジュール。
(付記30) 付記1〜18のうちいずれか一項記載の熱電変換材料を有する熱電変換素子を備える、ペルチェ冷却器。
(付記31) 付記2〜10のうちいずれか一項記載の熱電変換材料を有するP型熱電変換素子を備える、ペルチェ冷却器。
(付記32) 付記11〜18のうちいずれか一項記載の熱電変換材料を有するN型熱電変換素子を備える、ペルチェ冷却器。
The following additional notes will be further disclosed with respect to the above description.
(Appendix 1) Thermoelectric conversion material
Substrate containing PbTe and
A nanoprecipitate containing at least one element (M) selected from the group consisting of C, Si, Ge and Sn in the substrate, and
The thermoelectric conversion material including.
(Appendix 2) The thermoelectric conversion material according to Appendix 1, wherein the thermoelectric conversion material contains at least one element (A) selected from the group consisting of Group 1 elements, Group 11 elements and Group 13 elements.
(Appendix 3) The thermoelectric conversion material is represented by the composition formula of Pb 1-xy A y M x Te, and x and y are the atomic ratios of M and A to the total amount of Pb, M and A, respectively. The thermoelectric conversion material according to Appendix 2, wherein x is greater than 0 and 0.015 or less, and y is greater than 0 and 0.1 or less.
(Appendix 4) The thermoelectric conversion material according to Appendix 3, wherein x is 0.002 or more and 0.012 or less.
(Appendix 5) The thermoelectric conversion material according to Appendix 3, wherein x is 0.007 or more and 0.010 or less.
(Supplementary note 6) The thermoelectric conversion material according to any one of Supplementary note 3 to 5, wherein A is Na and y is 0.04.
(Supplementary note 7) The thermoelectric conversion material according to any one of Supplementary notes 1 to 6, wherein M is Ge.
(Appendix 8) The thermoelectric conversion material according to any one of Appendix 1 to 7, wherein the thermal conductivity is 1.3 WK -1 m -1 or less from 700 K to 900 K.
(Supplementary note 9) The thermoelectric conversion material according to any one of Supplementary notes 1 to 8, wherein the dimensionless thermoelectric figure of merit ZT is 2.0 or more from 700K to 850K.
(Supplementary Note 10) The thermoelectric conversion material according to any one of Supplementary note 1 to 9, wherein the nanoprecipitate has a particle size of 2 nm to 1 μm.
(Appendix 11) The thermoelectric conversion material according to Appendix 1, wherein the thermoelectric conversion material contains at least one element (X) selected from Group 17 elements.
(Appendix 12) The thermoelectric conversion material is represented by the composition formula of Pb 1-x M x Te 1-z X z , x represents the atomic ratio of M to the total amount of Pb and M, and x is 0. The thermoelectric conversion material according to Appendix 11, wherein z is greater than or equal to 0.015, z represents the atomic ratio of X to the total amount of Te and X, and z is greater than 0 and less than or equal to 0.01.
(Appendix 13) The thermoelectric conversion material according to Appendix 12, wherein z is 0.002 or more and 0.006 or less.
(Supplementary note 14) The thermoelectric conversion material according to Supplementary note 12, wherein z is 0.004.
(Supplementary note 15) The thermoelectric conversion material according to any one of Supplementary note 12 to 14, wherein x is 0.002 or more and 0.012 or less.
(Supplementary note 16) The thermoelectric conversion material according to any one of Supplementary notes 12 to 15, wherein x is 0.007 or more and 0.010 or less.
(Supplementary note 17) The thermoelectric conversion material according to any one of Supplementary notes 12 to 16, wherein M is Ge.
(Supplementary Note 18) The thermoelectric conversion material according to any one of Supplementary note 11 to 17, wherein the nanoprecipitate has a particle size of 2 nm to 1 μm.
(Appendix 19) A method for producing a thermoelectric conversion material.
A step of preparing a material containing Pb, Te, and at least one element (M) selected from the group consisting of C, Si, Ge and Sn.
The step of heating and melting the prepared material in a vacuum to obtain a material containing the nanoprecipitate containing M, and
The production method.
(Appendix 20) In the preparation step,
The production method according to Appendix 19, wherein the material is prepared in a molar ratio of Te: Pb: M = 1: 1-x: x, where x is greater than 0 and less than or equal to 0.015.
(Supplementary note 21) The production method according to Supplementary note 20, wherein x is 0.002 or more and 0.012 or less.
(Supplementary note 22) The production method according to Supplementary note 20, wherein x is 0.005 or more and 0.010 or less.
(Appendix 23) In the preparation step, the material further comprises at least one element (A) selected from the group consisting of Group 1 elements, Group 11 elements and Group 13 elements.
The following item of Appendix 20 to 22, wherein the preparation is made in a molar ratio of Te: Pb: M: A = 1: 1-xy: x: y, and y is greater than 0 and 0.1 or less. How to make.
(Appendix 24) In the preparation step, the material further contains at least one element (X) selected from Group 17 elements, and Te: Pb: M: X = 1-z: 1-x: x. : The production method according to any one of Appendix 20 to 22, wherein the preparation is made in a molar ratio of z, and z is greater than 0 and 0.01 or less.
(Supplementary note 25) The production method according to any one of Supplementary note 19 to 24, wherein the material is heated to a temperature of 1207 K or higher in the melting step.
(Appendix 26) A step of crushing the material obtained by the dissolution step into powder and sintering under pressure, and a step of sintering.
The production method according to any one of Supplementary note 19 to 25, further comprising.
(Supplementary note 27) A thermoelectric power generation module comprising a thermoelectric conversion element having the thermoelectric conversion material according to any one of Supplementary notes 1 to 18.
(Supplementary note 28) A thermoelectric power generation module comprising a P-type thermoelectric conversion element having the thermoelectric conversion material according to any one of Supplementary note 2 to 10.
(Supplementary note 29) A thermoelectric power generation module comprising an N-type thermoelectric conversion element having the thermoelectric conversion material according to any one of Supplementary notes 11 to 18.
(Appendix 30) A Perche cooler comprising a thermoelectric conversion element having the thermoelectric conversion material according to any one of Supplements 1 to 18.
(Appendix 31) A Perche cooler comprising a P-type thermoelectric conversion element having the thermoelectric conversion material according to any one of Appendix 2 to 10.
(Appendix 32) A Perche cooler comprising an N-type thermoelectric conversion element having the thermoelectric conversion material according to any one of Supplements 11 to 18.

10 熱電発電モジュール
21 P型熱電変換素子
22 N型熱電変換素子
30、41、42 電極
50 ペルチェ冷却器
60 電源部

10 Thermoelectric power generation module 21 P-type thermoelectric conversion element 22 N-type thermoelectric conversion element 30, 41, 42 Electrodes 50 Perche cooler 60 Power supply unit

Claims (13)

熱電変換材料であって、
PbTeを含む基材と、
前記基材中にC、Si、GeおよびSnからなる群から選択された少なくとも一つの元素(M)と第1族元素、第11族元素および第13族元素からなる群から選択された少なくとも一つの元素(A)とを含むナノ析出物と、を含み、
Pb 1-x-y y x Teの組成式で表され、
xおよびyは、Pb、MおよびAの総量に対して、それぞれM、Aの原子比を表し、xが0.002以上でかつ0.012以下であり、yが0よりも大きく0.1以下である、前記熱電変換材料。
It is a thermoelectric conversion material
Substrate containing PbTe and
At least one element (M) selected from the group consisting of C, Si, Ge and Sn in the substrate and at least one selected from the group consisting of Group 1 elements, Group 11 elements and Group 13 elements. only contains a nano-precipitates, the including One of the elements and the (a),
It is represented by the composition formula of Pb 1-xy A y M x Te.
x and y represent the atomic ratios of M and A to the total amount of Pb, M and A, respectively, x is 0.002 or more and 0.012 or less, and y is greater than 0 and 0.1. The thermoelectric conversion material described below.
前記yが0.04である、請求項1記載の熱電変換材料。The thermoelectric conversion material according to claim 1, wherein y is 0.04. 前記xが0.007以上でかつ0.010以下であり、前記yが0.04である、請求項1記載の熱電変換材料。The thermoelectric conversion material according to claim 1, wherein x is 0.007 or more and 0.010 or less, and y is 0.04. 前記元素MはGeである、請求項1〜3のうちいずれか一項記載の熱電変換材料。 The thermoelectric conversion material according to any one of claims 1 to 3, wherein the element M is Ge. 前記元素AはNaである、請求項1〜4のうちいずれか一項記載の熱電変換材料。The thermoelectric conversion material according to any one of claims 1 to 4, wherein the element A is Na. 熱伝導率が、700Kから900Kに亘って、1.3WK-1-1以下である、請求項1〜5のうちいずれか一項記載の熱電変換材料。 The thermoelectric conversion material according to any one of claims 1 to 5, wherein the thermal conductivity is 1.3 WK -1 m -1 or less from 700 K to 900 K. 無次元熱電性能指数ZTは、700Kから850Kに亘って、2.0以上であり、最大2.5である、請求項1〜6のうちいずれか一項記載の熱電変換材料。 Dimensionless thermoelectric figure of merit ZT is over from 700K to 850K, Ri der 2.0 or more, and up to 2.5, the thermoelectric conversion material according to any one of claims 1 to 6. 当該熱電変換材料は、前記元素Aの代わりに、第17族元素であるCl、BrおよびIのうちから選択された少なくとも一つの元素(X)を含み、
Pb 1-x x Te 1-z z の組成式で表され、xは、PbおよびMの総量に対してMの原子比を表し、xが0.002以上でかつ0.012以下であり、zは、TeおよびXの総量に対してXの原子比を表し、zが0よりも大きく0.01以下である、請求項1記載の熱電変換材料。
The thermoelectric conversion material, instead of the element A, looking containing at least one element (X) is selected from among Cl, Br and I is a group 17 element,
It is represented by the composition formula of Pb 1-x M x Te 1-z X z , where x represents the atomic ratio of M to the total amount of Pb and M, and when x is 0.002 or more and 0.012 or less. The thermoelectric conversion material according to claim 1, wherein z represents the atomic ratio of X to the total amount of Te and X, and z is greater than 0 and 0.01 or less.
前記ナノ析出物は、粒径が2nm〜1μmである、請求項1〜のうちいずれか一項記載の熱電変換材料。 The thermoelectric conversion material according to any one of claims 1 to 8 , wherein the nanoprecipitate has a particle size of 2 nm to 1 μm. 熱電変換材料の作製方法であって、
Pbと、Teと、C、Si、GeおよびSnからなる群から選択された少なくとも一つの元素(M)と、第1族元素、第11族元素および第13族元素からなる群から選択された少なくとも一つの元素(A)と、を含む材料を準備するステップであって、Te:Pb:M:A=1:1−x−y:x:yのモル比で調製し、xは0.002以上でかつ0.012以下であり、yは0よりも大きく0.1以下である、該準備するステップと、
前記準備した材料を真空中で加熱して溶解し、前記元素および前記元素Aを含むナノ析出物を含む材料を得るステップと、を含む、前記作製方法。
It is a method of manufacturing a thermoelectric conversion material.
It was selected from the group consisting of at least one element (M) selected from the group consisting of Pb, Te, C, Si, Ge and Sn, and the group consisting of Group 1 elements, Group 11 elements and Group 13 elements. A step of preparing a material containing at least one element (A) , prepared in a molar ratio of Te: Pb: M: A = 1: 1-xy: x: y, where x is 0. The preparation step , which is 002 or more and 0.012 or less, and y is greater than 0 and 0.1 or less.
The production method comprising the steps of heating and melting the prepared material in a vacuum to obtain a material containing nanoprecipitates containing the element M and the element A.
前記準備するステップにおいて、前記材料が前記元素(A)の代わりに第17族元素であるCl、BrおよびIのうちから選択された少なくとも一つの元素(X)を含み、Te:Pb:M:X=1−z:1−x:x:zのモル比で調製し、zは0よりも大きく0.01以下である、請求項10記載の作製方法。In the preparation step, the material contains at least one element (X) selected from the Group 17 elements Cl, Br and I in place of the element (A), and Te: Pb: M: The production method according to claim 10, wherein the preparation method is prepared with a molar ratio of X = 1-z: 1-x: x: z, and z is greater than 0 and 0.01 or less. 請求項1〜9のうちいずれか一項記載の熱電変換材料を有する熱電変換素子を備える、熱電発電モジュール。A thermoelectric power generation module comprising a thermoelectric conversion element having the thermoelectric conversion material according to any one of claims 1 to 9. 請求項1〜9のうちいずれか一項記載の熱電変換材料を有する熱電変換素子を備える、ペルチェ冷却器。A Perche cooler comprising a thermoelectric cooling element having the thermoelectric conversion material according to any one of claims 1 to 9.
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JP4166927B2 (en) * 2000-07-03 2008-10-15 三洋電機株式会社 Thermoelectric material manufacturing method, thermoelectric material, and thermoelectric material manufacturing apparatus
US8277677B2 (en) * 2008-06-23 2012-10-02 Northwestern University Mechanical strength and thermoelectric performance in metal chalcogenide MQ (M=Ge,Sn,Pb and Q=S, Se, Te) based compositions
JP4715953B2 (en) * 2008-10-10 2011-07-06 トヨタ自動車株式会社 Nanocomposite thermoelectric conversion material, thermoelectric conversion element using the same, and method for producing nanocomposite thermoelectric conversion material
JP2012523717A (en) * 2009-04-13 2012-10-04 ジ オハイオ ステイト ユニヴァーシティ Thermoelectric alloys with improved thermoelectric power factor
US8778214B2 (en) * 2009-09-25 2014-07-15 Northwestern University Thermoelectrics compositions comprising nanoscale inclusions in a chalcogenide matrix
JP2011134745A (en) * 2009-12-22 2011-07-07 Sumitomo Metal Mining Co Ltd Thermoelectric powder, thermoelectric conversion element employing the same, and thermoelectric conversion module
CN103180982A (en) * 2010-10-19 2013-06-26 加利福尼亚理工学院 Self-tuning of carrier concentration for high thermoelectric performance
JP2014501680A (en) * 2010-10-26 2014-01-23 カリフォルニア インスティテュート オブ テクノロジー Highly doped PbSe with high thermoelectric performance
US8728340B2 (en) * 2011-12-20 2014-05-20 Japan Science And Technology Agency Method for manufacturing thermoelectric material
JP2013235971A (en) * 2012-05-09 2013-11-21 Toyota Industries Corp Thermoelectric material
JP2014022731A (en) * 2012-07-13 2014-02-03 Toyota Motor Engineering & Manufacturing North America Inc Thermoelectric material
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