JPH06151978A - 熱電発電体 - Google Patents
熱電発電体Info
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- JPH06151978A JPH06151978A JP4328748A JP32874892A JPH06151978A JP H06151978 A JPH06151978 A JP H06151978A JP 4328748 A JP4328748 A JP 4328748A JP 32874892 A JP32874892 A JP 32874892A JP H06151978 A JPH06151978 A JP H06151978A
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Landscapes
- Photovoltaic Devices (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 太陽光を受光して起電力を生成可能な熱電発
電体を構成する半導体層内に熱貫流が発生する事なく、
これにより熱効率を大幅に改善可能な熱電発電体を提供
する事にある。 【構成】 本発明は、前記従来技術の様に半導体単独で
熱電発電体を形成する事なく、半導体層を仕事関数値を
異にする金属体Ａ及びＢとの間に接触挟持させ、更に前
記金属体との接触により半導体層に形成されるオーミッ
ク接触乃至ショットキー障壁により前記半導体内にエネ
ルギーバンドの傾斜を生成する事を特徴とする。
電体を構成する半導体層内に熱貫流が発生する事なく、
これにより熱効率を大幅に改善可能な熱電発電体を提供
する事にある。 【構成】 本発明は、前記従来技術の様に半導体単独で
熱電発電体を形成する事なく、半導体層を仕事関数値を
異にする金属体Ａ及びＢとの間に接触挟持させ、更に前
記金属体との接触により半導体層に形成されるオーミッ
ク接触乃至ショットキー障壁により前記半導体内にエネ
ルギーバンドの傾斜を生成する事を特徴とする。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、熱電発電体に係り、特
に太陽熱を受熱して起電力を生成可能な熱電発電体に関
する。
に太陽熱を受熱して起電力を生成可能な熱電発電体に関
する。
【０００２】
【従来の技術】従来より、ゼーベック効果に基礎を置く
熱電発電素子が実用化され僻地用電源その他の種々の分
野で汎用的に用いられている。しかしながら既存のゼー
ベック効果を利用した熱電発電素子は熱効率が最大１８
％以下と低く、この熱効率の向上の為に多くの改良努力
がなされているが、依然として根本的な解決には遠いの
が現状である。又、この熱効率が低いために、前記熱電
発電素子を太陽熱発電用電池に適用した場合に、所望の
電力を得るための設置コストが大になり、この面での実
用化への試みは従来、ほとんどなされていないのが実情
である。しかしながら太陽電池はその形態が光利用であ
れ、また熱利用であれ、他の火力発電や原子力発電等に
比較して安全上からも極めて有効な発電体であり、又自
動車等のエネルギー源として搭載した場合においても化
石燃料を使用せず又その排気ガスも存在しないために、
現在の様に地球規模で環境エコロジーが叫ばれている現
在、種々の面でその大規模な普及が強く要請されてい
る。このような社会的要請から若し前記熱電発電素子の
熱効率が例えば３０％を越える程に高くなれば、太陽熱
利用を含めて熱電発電方式の用途及びその普及は飛躍的
に広がるであろう。
熱電発電素子が実用化され僻地用電源その他の種々の分
野で汎用的に用いられている。しかしながら既存のゼー
ベック効果を利用した熱電発電素子は熱効率が最大１８
％以下と低く、この熱効率の向上の為に多くの改良努力
がなされているが、依然として根本的な解決には遠いの
が現状である。又、この熱効率が低いために、前記熱電
発電素子を太陽熱発電用電池に適用した場合に、所望の
電力を得るための設置コストが大になり、この面での実
用化への試みは従来、ほとんどなされていないのが実情
である。しかしながら太陽電池はその形態が光利用であ
れ、また熱利用であれ、他の火力発電や原子力発電等に
比較して安全上からも極めて有効な発電体であり、又自
動車等のエネルギー源として搭載した場合においても化
石燃料を使用せず又その排気ガスも存在しないために、
現在の様に地球規模で環境エコロジーが叫ばれている現
在、種々の面でその大規模な普及が強く要請されてい
る。このような社会的要請から若し前記熱電発電素子の
熱効率が例えば３０％を越える程に高くなれば、太陽熱
利用を含めて熱電発電方式の用途及びその普及は飛躍的
に広がるであろう。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】次に前記ゼーベック効
果に基礎を置く熱電発電素子の熱効率が低い最大の理由
を以下に詳説する。ゼーベック効果に基礎を置く熱電発
電素子（以下ゼーベック素子という）では、熱起電力を
発生させるためには、その両極に温度差が必要である。
即ち、温度差によりキャリア濃度の差を生じさせ、その
結果としてキャリアの拡散移動、そしてフェルミレベル
の傾斜を生じ起電力を発生させるものである。一方、前
記素子両端に温度差が存在することの必然の結果とし
て、素子内に高温側から低い低温側に向う熱貫流が発生
する。一般にこの貫流熱量は、ペルチェ効果に基づく発
熱量やや吸熱量、或いは抵抗発熱量より大きく、この為
かかる貫流熱量の存在が前記熱電発電素子の熱効率を悪
くする最大要因となっている。
果に基礎を置く熱電発電素子の熱効率が低い最大の理由
を以下に詳説する。ゼーベック効果に基礎を置く熱電発
電素子（以下ゼーベック素子という）では、熱起電力を
発生させるためには、その両極に温度差が必要である。
即ち、温度差によりキャリア濃度の差を生じさせ、その
結果としてキャリアの拡散移動、そしてフェルミレベル
の傾斜を生じ起電力を発生させるものである。一方、前
記素子両端に温度差が存在することの必然の結果とし
て、素子内に高温側から低い低温側に向う熱貫流が発生
する。一般にこの貫流熱量は、ペルチェ効果に基づく発
熱量やや吸熱量、或いは抵抗発熱量より大きく、この為
かかる貫流熱量の存在が前記熱電発電素子の熱効率を悪
くする最大要因となっている。
【０００４】例えば、ｐ型半導体を用いるゼーベック素
子について図示すると図１のようになる。尚、図中Ｅは
正孔ｈ+のエネルギー、ＥFはフェルミエネルギーレベ
ル、ｆhHは高温側の正孔ｈ+の分布関数、ｆhLは低温側
の正孔ｈ+の分布関数、ＣＢは伝導帯、ＶＢは価電子
帯、Ｈは高温側の正孔ｈ+（キャリア）濃度、Ｌは低温
側の正孔ｈ+濃度である。同図より明らかなように、従
来のゼーベック素子においては、前記素子両極における
キャリヤの濃度差を生ぜしめる為に、温度差を与える必
要があり、これが熱効率を悪くする為の最大の要因とな
っている。
子について図示すると図１のようになる。尚、図中Ｅは
正孔ｈ+のエネルギー、ＥFはフェルミエネルギーレベ
ル、ｆhHは高温側の正孔ｈ+の分布関数、ｆhLは低温側
の正孔ｈ+の分布関数、ＣＢは伝導帯、ＶＢは価電子
帯、Ｈは高温側の正孔ｈ+（キャリア）濃度、Ｌは低温
側の正孔ｈ+濃度である。同図より明らかなように、従
来のゼーベック素子においては、前記素子両極における
キャリヤの濃度差を生ぜしめる為に、温度差を与える必
要があり、これが熱効率を悪くする為の最大の要因とな
っている。
【０００５】本発明は、かかる技術的課題を達成する為
に、両極が等温の状態で起電力が発生可能な熱電発電体
を提供する事を目的とする。本発明の他の目的は、前記
結果として前記発電体を構成する半導体層内に熱貫流が
発生する事なく、これにより熱効率を大幅に改善可能な
熱電発電体を提供する事を目的としている。
に、両極が等温の状態で起電力が発生可能な熱電発電体
を提供する事を目的とする。本発明の他の目的は、前記
結果として前記発電体を構成する半導体層内に熱貫流が
発生する事なく、これにより熱効率を大幅に改善可能な
熱電発電体を提供する事を目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、前記従来技術
の様に半導体単独で熱電発電体を形成する事なく、半導
体層を仕事関数値を異にする金属体Ａ及びＢとの間に接
触挟持させた点を第１の特徴とする。本発明の第２の特
徴は、金属体Ａ，Ｂとの接触により半導体層Ｃに形成さ
れるオーミック接触乃至ショットキー障壁により前記半
導体装Ｃ内にエネルギーバンドの傾斜を生成する事を特
徴とする。この場合前記エネルギーバンドの傾斜の形状
は変曲点を有さず、単調な形状である必要がある。そし
てこのような単調形状のエネルギーバンドは、金属体
Ａ、Ｂ、及び半導体層Ｃ夫々の仕事関数値を下記式１）
を満足するように設定することにより容易に達成され
る。 φA＞φSC＞φB …１） φA：金属体Ａの仕事関数 φB：金属体Ｂの仕事関数 φSC：半導体層Ｃの仕事関数
の様に半導体単独で熱電発電体を形成する事なく、半導
体層を仕事関数値を異にする金属体Ａ及びＢとの間に接
触挟持させた点を第１の特徴とする。本発明の第２の特
徴は、金属体Ａ，Ｂとの接触により半導体層Ｃに形成さ
れるオーミック接触乃至ショットキー障壁により前記半
導体装Ｃ内にエネルギーバンドの傾斜を生成する事を特
徴とする。この場合前記エネルギーバンドの傾斜の形状
は変曲点を有さず、単調な形状である必要がある。そし
てこのような単調形状のエネルギーバンドは、金属体
Ａ、Ｂ、及び半導体層Ｃ夫々の仕事関数値を下記式１）
を満足するように設定することにより容易に達成され
る。 φA＞φSC＞φB …１） φA：金属体Ａの仕事関数 φB：金属体Ｂの仕事関数 φSC：半導体層Ｃの仕事関数
【０００７】更に、エネルギーバンドの傾斜が電荷分離
に対して充分な状態であることを確実にするためには、
電子については伝導帯の高いエネルギー部が、電子の分
布関数のほじ零点に対応するエネルギーレベルより上位
に位置していること、また正孔については価電子帯の高
エネルギー部が、正孔の分布関数のほじ零点対応するエ
ネルギーレベルより上位に位置していることが必要であ
る。感覚的には、予件における励起電子及び正孔の存在
可能領域をキャリヤプールに見立てて、伝導帯及び価電
子帯の高エネルギー部が、夫々のキャリヤプールから露
出する条件を作ることが必要である。このような露出
は、 φA−φSC≧０．１ｅＶかつ φSC−φB≧０．１ｅＶ の２条件を満たすことにより実現される。更に、熱励起
を確実にするために、真性半導体を使用する場合は、バ
ンドギャップＥｇが、 ０．６ｅＶ＞Ｅｇ≧０．２ｅＶ …２） ｎ形半導体を使用する場合は、フェルミレベルをＥFと
して、 Ｅｇ−ＥF≦０．２ｅＶ …３） ｐ形半導体を使用する場合、 ＥF≦０．２ｅＶ …４） の範囲にあることが必要である。Ｅｇについて、全体に
共通する条件は、 １．２＞Ｅｇ≧０．２ｅＶ …５）である。
に対して充分な状態であることを確実にするためには、
電子については伝導帯の高いエネルギー部が、電子の分
布関数のほじ零点に対応するエネルギーレベルより上位
に位置していること、また正孔については価電子帯の高
エネルギー部が、正孔の分布関数のほじ零点対応するエ
ネルギーレベルより上位に位置していることが必要であ
る。感覚的には、予件における励起電子及び正孔の存在
可能領域をキャリヤプールに見立てて、伝導帯及び価電
子帯の高エネルギー部が、夫々のキャリヤプールから露
出する条件を作ることが必要である。このような露出
は、 φA−φSC≧０．１ｅＶかつ φSC−φB≧０．１ｅＶ の２条件を満たすことにより実現される。更に、熱励起
を確実にするために、真性半導体を使用する場合は、バ
ンドギャップＥｇが、 ０．６ｅＶ＞Ｅｇ≧０．２ｅＶ …２） ｎ形半導体を使用する場合は、フェルミレベルをＥFと
して、 Ｅｇ−ＥF≦０．２ｅＶ …３） ｐ形半導体を使用する場合、 ＥF≦０．２ｅＶ …４） の範囲にあることが必要である。Ｅｇについて、全体に
共通する条件は、 １．２＞Ｅｇ≧０．２ｅＶ …５）である。
【０００８】
【作用】さて半導体の薄層内にフェルミエネルギーレベ
ルの傾斜を生じさせ、両端面間に電位差を発生させるに
は、 Ｉ ．伝導帯に電子ｅ-が励起されて一方向に移動す
る。 II ．価電子帯に正孔ｈ+が励起されて一方向に移動す
る。 III ．その結果として、両端面即ち両極において、熱平
衡状態からのキャリヤ過剰若しくは不足状態を作り出す
ことが必要である。 ここで上記Ｉ、IIが単独に起きても良いが、Ｉ、IIが一
緒に且つ逆向きに起きるのが望ましい。Ｓｅｅｂａｃｋ
素子の場合には一般にキャリヤの移動を起こさせる原動
力は、各エネルギーバンドの両端面におけるキャリヤの
濃度差である。この濃度差が充分に大きければ、エネル
ギーバンドの傾斜に抗して、キャリヤ移動が起こり得
る。この事は図１からも明らかである。
ルの傾斜を生じさせ、両端面間に電位差を発生させるに
は、 Ｉ ．伝導帯に電子ｅ-が励起されて一方向に移動す
る。 II ．価電子帯に正孔ｈ+が励起されて一方向に移動す
る。 III ．その結果として、両端面即ち両極において、熱平
衡状態からのキャリヤ過剰若しくは不足状態を作り出す
ことが必要である。 ここで上記Ｉ、IIが単独に起きても良いが、Ｉ、IIが一
緒に且つ逆向きに起きるのが望ましい。Ｓｅｅｂａｃｋ
素子の場合には一般にキャリヤの移動を起こさせる原動
力は、各エネルギーバンドの両端面におけるキャリヤの
濃度差である。この濃度差が充分に大きければ、エネル
ギーバンドの傾斜に抗して、キャリヤ移動が起こり得
る。この事は図１からも明らかである。
【０００９】更にキャリヤ移動の第２の原動力はエネル
ギーバンドの傾斜であり、より具体的には、光発電素子
における電荷分離の基本を成す原動力である。図２にそ
の具体的な作用を示し、ｐｎ接合した半導体に、そのバ
ンドギャップより大きいエネルギーを持つ光をｐ形半導
体側より入射させた場合の、電子ｅ-・正孔ｈ+対の発生
及びその分離の状況を示し，Ｗはｎ形半導体側に発生す
る起電力、ＦＢはフェルミエネルギーレベルである。
尚、本図に示すような価電子帯から伝導帯への電子ｅ-
励起は熱によっても起きる。そして、エネルギーバンド
に傾斜がある場合には、伝導帯に登った電子ｅ-及び価
電子帯に生成した正孔ｈ+ｈは夫々、エネルギーバンド
の傾斜の作用を受けて対極に向けて移動し、フェルミレ
ベルの傾斜即ち起電力を発生することになる。 ここで
大きな問題は、如何にして、より具体的には両極が等温
の状態でエネルギーバンドに傾斜を生じさせるかであ
る。
ギーバンドの傾斜であり、より具体的には、光発電素子
における電荷分離の基本を成す原動力である。図２にそ
の具体的な作用を示し、ｐｎ接合した半導体に、そのバ
ンドギャップより大きいエネルギーを持つ光をｐ形半導
体側より入射させた場合の、電子ｅ-・正孔ｈ+対の発生
及びその分離の状況を示し，Ｗはｎ形半導体側に発生す
る起電力、ＦＢはフェルミエネルギーレベルである。
尚、本図に示すような価電子帯から伝導帯への電子ｅ-
励起は熱によっても起きる。そして、エネルギーバンド
に傾斜がある場合には、伝導帯に登った電子ｅ-及び価
電子帯に生成した正孔ｈ+ｈは夫々、エネルギーバンド
の傾斜の作用を受けて対極に向けて移動し、フェルミレ
ベルの傾斜即ち起電力を発生することになる。 ここで
大きな問題は、如何にして、より具体的には両極が等温
の状態でエネルギーバンドに傾斜を生じさせるかであ
る。
【００１０】熱励起により、電子ｅ-・正孔ｈ+対を生成
させるには用うべき半導体のバンドギャップが小さくな
れなければならない。何故なら図３に示されるように、
温度Ｔの与件において、バンドギャップの大きい半導体
においては、伝導帯及び価電子帯のキャリヤ濃度が小さ
くなり、電導度が不充分になってしまうからである。
させるには用うべき半導体のバンドギャップが小さくな
れなければならない。何故なら図３に示されるように、
温度Ｔの与件において、バンドギャップの大きい半導体
においては、伝導帯及び価電子帯のキャリヤ濃度が小さ
くなり、電導度が不充分になってしまうからである。
【００１１】一方よく知られているように、バンドギャ
ップが小さい半導体ではｐｎ接合によって、エネルギー
バンドの傾斜を作り出すことができない。そこで本発明
では、半導体面と金属面とを接触させる場合に半導体層
Ｃに形成されるオーミック接触及び至ショットキー障壁
によって、半導体層Ｃ内にエネルギーバンドの傾斜を作
り出す事により前記課題の解決を計っている。而もエネ
ルギーバンド１の傾斜の形状は図４に示すように、単調
な形でなければならない。この単調な傾斜を持つエネル
ギーバンド１を作り上げるための条件として本発明はは
下記式を満足する必要がある事を知見した。 φA＞φSC＞φB …１） φA：金属Ａの仕事関数 φB：金属Ｂの仕事関数 φSC：半導体層の仕事関数 このエネルギーバンド１を持つ素子を加熱すると熱励起
により伝導帯に電子ｅ-が登る。
ップが小さい半導体ではｐｎ接合によって、エネルギー
バンドの傾斜を作り出すことができない。そこで本発明
では、半導体面と金属面とを接触させる場合に半導体層
Ｃに形成されるオーミック接触及び至ショットキー障壁
によって、半導体層Ｃ内にエネルギーバンドの傾斜を作
り出す事により前記課題の解決を計っている。而もエネ
ルギーバンド１の傾斜の形状は図４に示すように、単調
な形でなければならない。この単調な傾斜を持つエネル
ギーバンド１を作り上げるための条件として本発明はは
下記式を満足する必要がある事を知見した。 φA＞φSC＞φB …１） φA：金属Ａの仕事関数 φB：金属Ｂの仕事関数 φSC：半導体層の仕事関数 このエネルギーバンド１を持つ素子を加熱すると熱励起
により伝導帯に電子ｅ-が登る。
【００１２】図４（Ｂ）において、エネルギーバンド１
が電子プールｅｐに埋っていない領域（Ｚ領域）の伝導
帯に励起された電子ｅ-は、エネルギーバンド１の傾斜
の作用により右方の電子プールｅｐ中に移動し、他方同
様にして正孔ｈ+のプールｈｐも大きくなり、斯くし
て、半導体層Ｃ内部においてフェルミレベルの傾斜、そ
して起電力を発生する。仕事関数の間の関係について、
もう一つ条件が必要である。それは、エネルギーバンド
１における高エネルギー部１ｈが電子プールｅｐに埋ら
ないで、露出しており、また同様にしてエネルギーバン
ド２における高エネルギー部２ｈが正孔プールｈｐに埋
らないで露出しているべきことである。尚、図４（Ｂ）
に示すように、伝導帯のエネルギーバンド１の最高値を
Ｅ0 とする。
が電子プールｅｐに埋っていない領域（Ｚ領域）の伝導
帯に励起された電子ｅ-は、エネルギーバンド１の傾斜
の作用により右方の電子プールｅｐ中に移動し、他方同
様にして正孔ｈ+のプールｈｐも大きくなり、斯くし
て、半導体層Ｃ内部においてフェルミレベルの傾斜、そ
して起電力を発生する。仕事関数の間の関係について、
もう一つ条件が必要である。それは、エネルギーバンド
１における高エネルギー部１ｈが電子プールｅｐに埋ら
ないで、露出しており、また同様にしてエネルギーバン
ド２における高エネルギー部２ｈが正孔プールｈｐに埋
らないで露出しているべきことである。尚、図４（Ｂ）
に示すように、伝導帯のエネルギーバンド１の最高値を
Ｅ0 とする。
【００１３】さて固体中の電子ｅ-の挙動はフェルミデ
ィラック統計に従っており、その分布関数ｆｅ（Ｅ）
は、 の式で表す事が出来る。
ィラック統計に従っており、その分布関数ｆｅ（Ｅ）
は、 の式で表す事が出来る。
【００１４】今、温度Ｔの与件Ｔ0 において、ｆｅ
（Ｅ）≒０を与えるＥの値をＥ* とする。Ｔ0 ＝４００
Ｋとして、Ｅ* −ＥF≒０．２５ｅＶである。即ち、４
００Ｋで作動する本発明に係わる熱電発電体において
は、伝導帯のエネルギーバンドの高エネルギー部１ｈが
電子プールｅｐから露出しているためには、エネルギー
バンド１の最高値をＥ0として、 Ｅ0−ＥF＞０．２５ｅＶ でなければならない。更に、 真性半導体の場合、Ｅ0−ＥF＝φA−φSC＋（１／２）
Ｅｇ ｎ形半導体の場合、Ｅ0−ＥF＝φA−φSC＋Ｅｇ−ＥF であるから、前出のＥｇ≧０．２ｅＶ及至 Ｅｇ−ＥF＜０．２ｅＶの条件を加えて共通化すると、 φA−φSC＞０．０５ｅＶ 好ましくは、φA−φSC≧０．１ｅＶの範囲に設定され
るのが良い。同様にして、φSC−φB≧０．１ｅＶの範
囲に設定されることが必要である。
（Ｅ）≒０を与えるＥの値をＥ* とする。Ｔ0 ＝４００
Ｋとして、Ｅ* −ＥF≒０．２５ｅＶである。即ち、４
００Ｋで作動する本発明に係わる熱電発電体において
は、伝導帯のエネルギーバンドの高エネルギー部１ｈが
電子プールｅｐから露出しているためには、エネルギー
バンド１の最高値をＥ0として、 Ｅ0−ＥF＞０．２５ｅＶ でなければならない。更に、 真性半導体の場合、Ｅ0−ＥF＝φA−φSC＋（１／２）
Ｅｇ ｎ形半導体の場合、Ｅ0−ＥF＝φA−φSC＋Ｅｇ−ＥF であるから、前出のＥｇ≧０．２ｅＶ及至 Ｅｇ−ＥF＜０．２ｅＶの条件を加えて共通化すると、 φA−φSC＞０．０５ｅＶ 好ましくは、φA−φSC≧０．１ｅＶの範囲に設定され
るのが良い。同様にして、φSC−φB≧０．１ｅＶの範
囲に設定されることが必要である。
【００１５】
【実施例】以下、本発明の実施例を例示的に詳しく説明
する。但しこの実施例に記載されている構成部品の材
質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない
限りは、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨では
なく単なる説明例に過ぎない。図５は本発明の実施例に
係る熱電発電素子の概略斜視図を示し、仕事関数値を異
にする金属薄層Ａ及びＢとの間に、半導体層Ｃを接触挟
持させるとともに、金属薄層Ａ及びＢにリード線２を導
き出している。
する。但しこの実施例に記載されている構成部品の材
質、形状、その相対配置などは特に特定的な記載がない
限りは、この発明の範囲をそれのみに限定する趣旨では
なく単なる説明例に過ぎない。図５は本発明の実施例に
係る熱電発電素子の概略斜視図を示し、仕事関数値を異
にする金属薄層Ａ及びＢとの間に、半導体層Ｃを接触挟
持させるとともに、金属薄層Ａ及びＢにリード線２を導
き出している。
【００１６】そして前記構成の素子において、金属薄層
Ａを銅Ｃｕ薄層（仕事関数φCu：４．６５ｅＶ）で、又
金属薄層ＢをアルミニウムＡｌ薄層（仕事関数φAl：
４．２８ｅＶ）で、更に半導体層Ｃを、真性シリコンウ
エーハ（仕事関数φI・Si＝４．５５ｅＶ）で形成し、半
導体層Ｃ内にエネルギーバンド１の傾斜が果たして発生
するか否かを確認するために、矢印の方向に太陽光を照
射し、起電力を測定した所、前記リード線の端子間に電
圧：２５〜２８ｍＶ、電流１．７〜２．１μＡの起電力
が発生した。この結果から、前記素子の半導体層内にエ
ネルギーバンドの傾斜が存在していること、そして、太
陽光照射により発生した電荷対が分離して、起電力を発
生することが確認された。尚、本実施例の素子の大きさ
は３０ｍｍ×２５ｍｍである。
Ａを銅Ｃｕ薄層（仕事関数φCu：４．６５ｅＶ）で、又
金属薄層ＢをアルミニウムＡｌ薄層（仕事関数φAl：
４．２８ｅＶ）で、更に半導体層Ｃを、真性シリコンウ
エーハ（仕事関数φI・Si＝４．５５ｅＶ）で形成し、半
導体層Ｃ内にエネルギーバンド１の傾斜が果たして発生
するか否かを確認するために、矢印の方向に太陽光を照
射し、起電力を測定した所、前記リード線の端子間に電
圧：２５〜２８ｍＶ、電流１．７〜２．１μＡの起電力
が発生した。この結果から、前記素子の半導体層内にエ
ネルギーバンドの傾斜が存在していること、そして、太
陽光照射により発生した電荷対が分離して、起電力を発
生することが確認された。尚、本実施例の素子の大きさ
は３０ｍｍ×２５ｍｍである。
【００１７】次に前記した太陽電池素子が等温状態で発
電することを確認する為に、１３０℃のオイルバス中に
浸漬して、発生する起電力を測定した所、電圧：１５０
ｍＶ、電流：３３μＡ、抵抗：４．５×１０3Ωの値を
得、これにより等温状態で発電することが確認された。
（実施例１） 尚、実施例１において発生する電流値が小さい理由は使
用した半導体層ＣがシリコンＳｉの為に、ハンドギャッ
プがＥｇ＝１．１ｅＶと比較的大きく、この為１５０℃
という加熱状態では伝導帯に登っている電子ｅ-の濃
度、及び価電子帯の正孔ｈ+濃度が未だ低いためであ
る。
電することを確認する為に、１３０℃のオイルバス中に
浸漬して、発生する起電力を測定した所、電圧：１５０
ｍＶ、電流：３３μＡ、抵抗：４．５×１０3Ωの値を
得、これにより等温状態で発電することが確認された。
（実施例１） 尚、実施例１において発生する電流値が小さい理由は使
用した半導体層ＣがシリコンＳｉの為に、ハンドギャッ
プがＥｇ＝１．１ｅＶと比較的大きく、この為１５０℃
という加熱状態では伝導帯に登っている電子ｅ-の濃
度、及び価電子帯の正孔ｈ+濃度が未だ低いためであ
る。
【００１８】そこで、ハンドギャップが小さく、かつエ
ネルギーバンド１の形が望ましいものになるべき条件で
ある。 φCu＞φSC＞φAl を満たす半導体層ＣとしてテルルＴｅを選定して、前記
実施例１と同様の構造に太陽電池素子を作製した。尚、
Ｔｅの電子物性はＥｇ＊０．３２ｅＶ（３００Ｋ）、φ
SC＝４．３ｅＶである。更に、本実施例においては電気
抵抗を大きくするもう一つの要因である各層接触面の抵
抗を低減させるべく、今回はＴｅの融液中にＣｕとＡｌ
の薄板を浸漬する方法で、前記素子を作製した。（実施
例２） 尚、前記実施例２の素子の大きさは１０ｍｍ×２０ｍｍ
である。そして本実施例３に係る該素子を１３０℃のオ
イルバスに浸漬して、発生する起電力を測定した所、電
圧：１００ｍＶ、電流：１８ｍＡ、抵抗：５．５Ωの値
を得、これにより等温状態でこの構造の素子が充分に実
用的な発電能力を持つことを確認した。
ネルギーバンド１の形が望ましいものになるべき条件で
ある。 φCu＞φSC＞φAl を満たす半導体層ＣとしてテルルＴｅを選定して、前記
実施例１と同様の構造に太陽電池素子を作製した。尚、
Ｔｅの電子物性はＥｇ＊０．３２ｅＶ（３００Ｋ）、φ
SC＝４．３ｅＶである。更に、本実施例においては電気
抵抗を大きくするもう一つの要因である各層接触面の抵
抗を低減させるべく、今回はＴｅの融液中にＣｕとＡｌ
の薄板を浸漬する方法で、前記素子を作製した。（実施
例２） 尚、前記実施例２の素子の大きさは１０ｍｍ×２０ｍｍ
である。そして本実施例３に係る該素子を１３０℃のオ
イルバスに浸漬して、発生する起電力を測定した所、電
圧：１００ｍＶ、電流：１８ｍＡ、抵抗：５．５Ωの値
を得、これにより等温状態でこの構造の素子が充分に実
用的な発電能力を持つことを確認した。
【００１９】
【発明の効果】以上記載した如く、本発明によれば高い
熱効率を以て熱エネルギーを電力に変換することが可能
である。例えば、本発明の熱電発電素子を、太陽光を受
光して昇温状態にある熱箱に収納して発電させる場合、
通常の太陽電池を上回る発電能力を発揮させることが出
来る。更に、当該熱電発電素子を熱箱に入れるという面
倒さを回避すべく、室温で作動する太陽熱発電素子を、
Ｅｇの小さい半導体層Ｃを使用して構成することも可能
であり、これにより場所、搭載装置に限定する事なく、
而も低設置コストで新型の太陽電池を提供することがで
きる。等の種々の著効を有す。
熱効率を以て熱エネルギーを電力に変換することが可能
である。例えば、本発明の熱電発電素子を、太陽光を受
光して昇温状態にある熱箱に収納して発電させる場合、
通常の太陽電池を上回る発電能力を発揮させることが出
来る。更に、当該熱電発電素子を熱箱に入れるという面
倒さを回避すべく、室温で作動する太陽熱発電素子を、
Ｅｇの小さい半導体層Ｃを使用して構成することも可能
であり、これにより場所、搭載装置に限定する事なく、
而も低設置コストで新型の太陽電池を提供することがで
きる。等の種々の著効を有す。
【図面の簡単な説明】
【図１】ゼーベック素子における起電力の発生の原理及
びその問題点を示す説明図。
びその問題点を示す説明図。
【図２】光発電素子（ｐｎ接合半導体）におけるエネル
ギバンドの傾斜に基づく電荷分離の状況を示す説明図。
ギバンドの傾斜に基づく電荷分離の状況を示す説明図。
【図３】フェルミエネルギレベルの傾斜が０の場合のキ
ャリア濃度、温度一定の場合の分布関数、状態密度等の
分布図を示す。
ャリア濃度、温度一定の場合の分布関数、状態密度等の
分布図を示す。
【図４】本発明の原理を示す作用図である。
【図５】本発明の実施例に係る太陽電池素子の概略斜視
図を示す。
図を示す。
Claims (5)
- 【請求項１】仕事関数値を異にする金属体Ａ及びＢとの
間に、半導体層を接触挟持させるとともに、該金属体と
の接触により半導体層に形成されるオーミック接触乃至
ショットキー障壁により前記半導体内にエネルギーバン
ドの傾斜を生成する事を特徴とする熱電発電体 - 【請求項２】前記エネルギーバンドにおいて、電子につ
いては伝導帯の高エネルギー部が、電子の分布関数のほ
じ零点に対応するエネルギーレベルより上位に位置して
いること、また正孔については、価電子帯の高エネルギ
ー部が、正孔の分布関数ほじ零点対応するエネルギーレ
ベルより上位に位置していることを特徴とする求項１記
載の熱電発電体 - 【請求項３】仕事関数値を異にする金属体Ａ及びＢとの
間に、半導体層を接触挟持させるとともに、該夫々の仕
事関数値を下記式を満足するように設定した事を特徴と
する熱電発電体 φA−φSC≧０．１ｅＶかつ φSC−φB≧０．１ｅＶ φA：金属Ａの仕事関数 φB：金属Ｂの仕事関数 φSC：半導体の仕事関数 - 【請求項４】 前記半導体のバンドギャップＥｇを、 １．２ｅＶ＞Ｅｇ≧０．２ｅＶ の範囲に設定した事を特徴とする請求項３記載の熱電発
電体 - 【請求項５】前記半導体において、フェルミレベルをＥ
Fとして、 ｎ形の場合 Ｅｇ−ＥF≦０．２ｅＶ ｐ形の場合 ＥF≦０．２ｅＶ の範囲に設定した事を特徴とする請求項３記載の熱電発
電体
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP32874892A JP3444501B2 (ja) | 1992-11-13 | 1992-11-13 | 熱電発電体 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP32874892A JP3444501B2 (ja) | 1992-11-13 | 1992-11-13 | 熱電発電体 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06151978A true JPH06151978A (ja) | 1994-05-31 |
| JP3444501B2 JP3444501B2 (ja) | 2003-09-08 |
Family
ID=18213736
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP32874892A Expired - Lifetime JP3444501B2 (ja) | 1992-11-13 | 1992-11-13 | 熱電発電体 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3444501B2 (ja) |
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2001071821A1 (en) * | 2000-03-24 | 2001-09-27 | Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. | Thermoelectric power generator |
| WO2017038988A1 (ja) * | 2015-09-04 | 2017-03-09 | 国立大学法人東京工業大学 | 熱電発電素子及びそれを含む熱電発電モジュール、並びにそれを用いた熱電発電方法 |
| JPWO2015125823A1 (ja) * | 2014-02-18 | 2017-03-30 | 国立大学法人九州大学 | 半導体単結晶、及びこれを用いた発電方法 |
| JP2017135152A (ja) * | 2016-01-25 | 2017-08-03 | トヨタ自動車株式会社 | 車両の発電装置 |
| JP2017135160A (ja) * | 2016-01-25 | 2017-08-03 | トヨタ自動車株式会社 | 車両の発電装置 |
| JP2017135157A (ja) * | 2016-01-25 | 2017-08-03 | トヨタ自動車株式会社 | 車両の発電装置 |
| JP2018113304A (ja) * | 2017-01-10 | 2018-07-19 | トヨタ自動車株式会社 | 発電装置の異常検出装置 |
| WO2022051809A1 (en) * | 2020-09-10 | 2022-03-17 | PhosEnergy Ltd | Devices and methods for generating electrical energy |
-
1992
- 1992-11-13 JP JP32874892A patent/JP3444501B2/ja not_active Expired - Lifetime
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2001071821A1 (en) * | 2000-03-24 | 2001-09-27 | Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. | Thermoelectric power generator |
| WO2001071822A1 (en) * | 2000-03-24 | 2001-09-27 | Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. | Thermoelectric generator |
| US6717043B2 (en) * | 2000-03-24 | 2004-04-06 | Shin-Etsu Chemical Co., Ltd. | Thermoelectric power generator |
| AU777112B2 (en) * | 2000-03-24 | 2004-09-30 | Mutsuko Hasegawa | Thermoelectric power generator |
| JPWO2015125823A1 (ja) * | 2014-02-18 | 2017-03-30 | 国立大学法人九州大学 | 半導体単結晶、及びこれを用いた発電方法 |
| WO2017038988A1 (ja) * | 2015-09-04 | 2017-03-09 | 国立大学法人東京工業大学 | 熱電発電素子及びそれを含む熱電発電モジュール、並びにそれを用いた熱電発電方法 |
| JPWO2017038988A1 (ja) * | 2015-09-04 | 2018-06-21 | 国立大学法人東京工業大学 | 熱電発電素子及びそれを含む熱電発電モジュール、並びにそれを用いた熱電発電方法 |
| JP2017135152A (ja) * | 2016-01-25 | 2017-08-03 | トヨタ自動車株式会社 | 車両の発電装置 |
| JP2017135160A (ja) * | 2016-01-25 | 2017-08-03 | トヨタ自動車株式会社 | 車両の発電装置 |
| JP2017135157A (ja) * | 2016-01-25 | 2017-08-03 | トヨタ自動車株式会社 | 車両の発電装置 |
| JP2018113304A (ja) * | 2017-01-10 | 2018-07-19 | トヨタ自動車株式会社 | 発電装置の異常検出装置 |
| WO2022051809A1 (en) * | 2020-09-10 | 2022-03-17 | PhosEnergy Ltd | Devices and methods for generating electrical energy |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3444501B2 (ja) | 2003-09-08 |
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