JP6949850B2 - 熱電変換材料、熱電変換素子および熱電変換モジュール - Google Patents
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Description
ここで、ηは変換効率、ΔT=Th−Tc、Thは高温側の温度、Tcは低温側の温度、M=(1+ZT)1/2、ZT=α2ST/κ、ZTは無次元性能指数、αはゼーベック係数、Sは導電率、κは熱伝導率である。このように、変換効率はZTの単調増加関数である。ZTを増大させることが、熱電変換材料の開発において重要である。
上記非特許文献1および非特許文献2によれば、量子効果により、キャリアの低次元化およびフォノン散乱の増大が得られ、ゼーベック係数および熱伝導率を制御し得るとされている。
本開示の熱電変換材料によれば、導電率を上昇させてZTの値を増大させることが可能な熱電変換材料を提供することができる。
最初に本願発明の実施態様を列記して説明する。本願の熱電変換材料は、半導体であるベース材料と、ベース材料を構成する元素とは異なる元素である添加元素と、を含む。ベース材料の禁制帯内に、上記添加元素により形成される付加バンドが存在する。この付加バンドの状態密度は、ベース材料の禁制帯に隣接する価電子帯の状態密度の最大値に対して0.1以上の比率を有する。
次に、本発明にかかる熱電変換材料の一実施の形態を、以下に図面を参照しつつ説明する。
図1および図2は、半導体であるSi(シリコン)のバンド構造を示す図である。図1および図2において、横軸はエネルギーを示す。図1の縦軸は状態密度を示す。図2の縦軸はスペクトル電導度を示す。スペクトル電導度σ(ε,T)は、以下の式(2)で表される。
ここで、νはキャリアの熱速度、τはキャリアの緩和時間、Nは状態密度である。つまり、スペクトル電導度は、状態密度にキャリアの緩和時間等を乗じたものであって、状態密度に比例する。図1および図2を参照して、半導体であるSiは、価電子帯1と伝導帯2との間に禁制帯3が存在する。
本実施の形態において、ベース材料としてはSiGe系材料を採用することができる。ここで、SiGe系材料とは、SixGey(0≦x、0≦y、および0<x+y)、ならびにSixGeyにおいてSiおよびGeの少なくとも一方の一部がC、Snなどで置き換えられた材料を意味する。このとき、添加元素としてはAu、Cu、NiおよびFeからなる群から選択される一種以上を採用することができる。具体的には、本実施の形態の熱電変換材料は、たとえばSiGe系材料からなる母相とAu、Cu、NiおよびFeからなる群から選択される一種以上の添加元素とを含む。これにより、ベース材料の禁制帯内に、添加元素による半値幅が小さく急峻なバンドを形成することができる。
本実施の形態において、ベース材料としてはMnSi系材料を採用することができる。ここで、MnSi系材料とは、MnxSiy(0.90≦x≦1.10および0.75≦y≦5.70)、ならびにMnxSiyにおいてMnおよびSiの少なくともいずれか一方の一部がAl、Wなどで置き換えられた材料を意味する。このとき、添加元素としてはTa、WおよびReからなる群から選択される一種以上を採用することができる。具体的には、本実施の形態の熱電変換材料は、たとえばMnSi系材料からなる母相とTa、WおよびReからなる群から選択される一種以上の添加元素とを含む。これにより、ベース材料の禁制帯内に、添加元素による半値幅が小さく急峻なバンドを形成することができる。
本実施の形態において、ベース材料としては上記MnSi系材料においてMnおよびSiの少なくともいずれか一方の一部がAlで置き換えられたAlMnSi系材料を採用することができる。ここで、AlMnSi系材料とは、AlxMnySiz(0.00<x≦3.67、0.90≦y≦1.10、1.50≦x+z≦5.70およびz≧0.43x)、ならびにAlxMnySizにおいてAl、MnおよびSiの少なくともいずれか一方の一部がWなどで置き換えられた材料を意味する。このとき、添加元素としてはRu、Ta、WおよびReからなる群から選択される一種以上を採用することができる。具体的には、本実施の形態の熱電変換材料は、たとえばMnSi系材料からなる母相とRu、Ta、WおよびReからなる群から選択される一種以上の添加元素とを含む。これにより、ベース材料の禁制帯内に、添加元素による半値幅が小さく急峻なバンドを形成することができる。
本実施の形態において、ベース材料としてはSnSe系材料を採用することができる。ここで、SnSe系材料とは、SnxSey(0<x、0<y,2/3≦y/x≦3/2)、ならびにSnxSeyにおいてSnおよびSeの少なくともいずれか一方の一部がSc、Ti、Zrなどで置き換えられた材料を意味する。このとき、添加元素としてはSc、TiおよびZrからなる群から選択される一種以上を採用することができる。具体的には、本実施の形態の熱電変換材料は、たとえばSnSe系材料からなる母相とSc、TiおよびZrからなる群から選択される一種以上の添加元素とを含む。これにより、ベース材料の禁制帯内に、添加元素による半値幅が小さく急峻なバンドを形成することができる。
本実施の形態において、ベース材料としてはCuSe系材料を採用することができる。ここで、CuSe系材料とは、CuxSey(0<x、0<y、1/4≦y/x≦1)、ならびにCuxSeyにおいてCuおよびSeの少なくともいずれか一方の一部がSc、Ti、V(バナジウム)などで置き換えられた材料を意味する。このとき、添加元素としてはSc、TiおよびVからなる群から選択される一種以上を採用することができる。具体的には、本実施の形態の熱電変換材料は、たとえばCuSe系材料からなる母相とSc、TiおよびVからなる群から選択される一種以上の添加元素とを含む。これにより、ベース材料の禁制帯内に、添加元素による半値幅が小さく急峻なバンドを形成することができる。
次に、本発明にかかる熱電変換材料を用いた熱電変換素子および熱電変換モジュールの一実施の形態として、発電素子および発電モジュールについて説明する。
次に、本発明にかかる熱電変換材料を用いた熱電変換素子の他の実施の形態として、光センサである赤外線センサについて説明する。
Claims (17)
- 半導体であるベース材料と、
前記ベース材料を構成する元素とは異なる元素である添加元素と、を含み、
前記ベース材料の禁制帯内に、前記添加元素により形成される付加バンドが存在し、
前記付加バンドの状態密度は、前記ベース材料の前記禁制帯に隣接する価電子帯の状態密度の最大値に対して0.1以上の比率を有し、
前記付加バンドの半値幅は50meV以下である、熱電変換材料。 - 半導体であるベース材料と、
前記ベース材料を構成する元素とは異なる元素である添加元素と、を含み、
前記ベース材料の禁制帯内に、前記添加元素により形成される付加バンドが存在し、
前記付加バンドの状態密度は、前記ベース材料の前記禁制帯に隣接する価電子帯の状態密度の最大値に対して0.1以上の比率を有し、
前記添加元素は、最外殻の内側に位置するd軌道またはf軌道に空軌道を有する、熱電変換材料。 - 半導体であるベース材料と、
前記ベース材料を構成する元素とは異なる元素である添加元素と、を含み、
前記ベース材料の禁制帯内に、前記添加元素により形成される付加バンドが存在し、
前記付加バンドの状態密度は、前記ベース材料の前記禁制帯に隣接する価電子帯の状態密度の最大値に対して0.1以上の比率を有し、
前記添加元素は遷移金属である、熱電変換材料。 - 半導体であるベース材料と、
前記ベース材料を構成する元素とは異なる元素である添加元素と、を含み、
前記ベース材料の禁制帯内に、前記添加元素により形成される付加バンドが存在し、
前記付加バンドの状態密度は、前記ベース材料の前記禁制帯に隣接する価電子帯の状態密度の最大値に対して0.1以上の比率を有し、
前記ベース材料はSiGe系材料である、熱電変換材料。 - 前記添加元素はAu、Cu、NiおよびFeからなる群から選択される一種以上である、請求項4に記載の熱電変換材料。
- 半導体であるベース材料と、
前記ベース材料を構成する元素とは異なる元素である添加元素と、を含み、
前記ベース材料の禁制帯内に、前記添加元素により形成される付加バンドが存在し、
前記付加バンドの状態密度は、前記ベース材料の前記禁制帯に隣接する価電子帯の状態密度の最大値に対して0.1以上の比率を有し、
前記ベース材料はMnSi系材料である、熱電変換材料。 - 前記添加元素はTa、WおよびReからなる群から選択される一種以上である、請求項6に記載の熱電変換材料。
- 前記ベース材料は前記MnSi系材料においてMnおよびSiの少なくともいずれか一方の一部がAlで置き換えられたAlMnSi系材料である、請求項6に記載の熱電変換材料。
- 前記添加元素はRu、Ta、WおよびReからなる群から選択される一種以上である、請求項8に記載の熱電変換材料。
- 半導体であるベース材料と、
前記ベース材料を構成する元素とは異なる元素である添加元素と、を含み、
前記ベース材料の禁制帯内に、前記添加元素により形成される付加バンドが存在し、
前記付加バンドの状態密度は、前記ベース材料の前記禁制帯に隣接する価電子帯の状態密度の最大値に対して0.1以上の比率を有し、
前記ベース材料はSnSe系材料である、熱電変換材料。 - 前記添加元素はSc、TiおよびZrからなる群から選択される一種以上である、請求項10に記載の熱電変換材料。
- 半導体であるベース材料と、
前記ベース材料を構成する元素とは異なる元素である添加元素と、を含み、
前記ベース材料の禁制帯内に、前記添加元素により形成される付加バンドが存在し、
前記付加バンドの状態密度は、前記ベース材料の前記禁制帯に隣接する価電子帯の状態密度の最大値に対して0.1以上の比率を有し、
前記ベース材料はCuSe系材料である、熱電変換材料。 - 前記添加元素はSc、TiおよびVからなる群から選択される一種以上である、請求項12に記載の熱電変換材料。
- 導電率が50kS/m以上1.5MS/m以下である、請求項1から請求項13のいずれか1項に記載の熱電変換材料。
- 前記付加バンドは、前記ベース材料の価電子帯または伝導帯から100meV以内の領域に位置する、請求項1から請求項14のいずれか1項に記載の熱電変換材料。
- 熱電変換材料部と、
前記熱電変換材料部に接触して配置される第1電極と、
前記熱電変換材料部に接触し、前記第1電極と離れて配置される第2電極と、を備え、
前記熱電変換材料部は、導電型がp型またはn型となるように成分組成が調整された請求項1から請求項15のいずれか1項に記載の熱電変換材料からなる、熱電変換素子。 - 請求項16に記載の熱電変換素子を複数個含む、熱電変換モジュール。
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