JPH09331083A - 熱電変換素子 - Google Patents
熱電変換素子Info
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- JPH09331083A JPH09331083A JP8149529A JP14952996A JPH09331083A JP H09331083 A JPH09331083 A JP H09331083A JP 8149529 A JP8149529 A JP 8149529A JP 14952996 A JP14952996 A JP 14952996A JP H09331083 A JPH09331083 A JP H09331083A
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- thermoelectric conversion
- energy
- conversion element
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 金属の種類、組成比の模索以外の方法で簡単
に熱電変換素子のエネルギー変換効率を高める。 【解決手段】 合金組成が互いに異なる２種類の熱電変
換用合金のそれぞれからなる薄膜１，２を交互に積層し
てなり、薄膜１，２と直交する方向の端部に電位差もし
くは温度差を与えるように構成してなる。
に熱電変換素子のエネルギー変換効率を高める。 【解決手段】 合金組成が互いに異なる２種類の熱電変
換用合金のそれぞれからなる薄膜１，２を交互に積層し
てなり、薄膜１，２と直交する方向の端部に電位差もし
くは温度差を与えるように構成してなる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は温度差が与えられ
た場合に電位差を発生させ、逆に電位差が与えられた場
合に温度差を発生させる熱電変換素子に関する。
た場合に電位差を発生させ、逆に電位差が与えられた場
合に温度差を発生させる熱電変換素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来から、熱電変換素子として、熱電対
に代表されるようにゼーベック効果を利用したもの、ペ
ルチェ素子に代表されるようにペルチェ効果を利用した
もの、トムソン効果を利用したものなどが知られてい
る。これらのうち、熱電変換用合金のみで構成された熱
電変換素子（例えば、Ｂｉ 1-xＳｂx、ここでｘは正の
数）は、無次元性能指数値Ｚ＝α2σＴ／κ（ここで、
αは熱電能、σは電気伝導率、Ｔは温度、κは熱伝導率
である）で特徴づけられるエネルギー変換効率を有して
おり、前記Ｚの値が大きい熱電変換用合金を用いて熱電
変換素子を作成することにより、エネルギー変換（例え
ば、冷却、発電）の効率を高めることができる。
に代表されるようにゼーベック効果を利用したもの、ペ
ルチェ素子に代表されるようにペルチェ効果を利用した
もの、トムソン効果を利用したものなどが知られてい
る。これらのうち、熱電変換用合金のみで構成された熱
電変換素子（例えば、Ｂｉ 1-xＳｂx、ここでｘは正の
数）は、無次元性能指数値Ｚ＝α2σＴ／κ（ここで、
αは熱電能、σは電気伝導率、Ｔは温度、κは熱伝導率
である）で特徴づけられるエネルギー変換効率を有して
おり、前記Ｚの値が大きい熱電変換用合金を用いて熱電
変換素子を作成することにより、エネルギー変換（例え
ば、冷却、発電）の効率を高めることができる。
【０００３】
【従来の技術】しかし、熱電変換素子のエネルギー変換
効率は、熱電変換用合金を構成する金属の種類、組成比
によって一義に定まるのであるから、エネルギー変換効
率を高めようとすれば、前記値Ｚが大きい金属の種類、
組成比を模索しなければなならない。そして、このよう
な模索は一般に多大な労力と長い時間を必要とするの
で、簡単には所期のエネルギー変換効率を有する熱電変
換素子を得ることができない。
効率は、熱電変換用合金を構成する金属の種類、組成比
によって一義に定まるのであるから、エネルギー変換効
率を高めようとすれば、前記値Ｚが大きい金属の種類、
組成比を模索しなければなならない。そして、このよう
な模索は一般に多大な労力と長い時間を必要とするの
で、簡単には所期のエネルギー変換効率を有する熱電変
換素子を得ることができない。
【０００４】また、かなり大きいエネルギー変換効率を
有する熱電変換素子が得られたとしても、エネルギー変
換効率をそれ以上に高めることは、金属の種類、組成比
の模索以外の方法では到底不可能であると思われてい
る。
有する熱電変換素子が得られたとしても、エネルギー変
換効率をそれ以上に高めることは、金属の種類、組成比
の模索以外の方法では到底不可能であると思われてい
る。
【０００５】
【発明の目的】この発明は上記の問題点に鑑みてなされ
たものであり、金属の種類、組成比の模索以外の方法で
簡単にエネルギー変換効率を高めることができる新規な
熱電変換素子を提供することを目的としている。
たものであり、金属の種類、組成比の模索以外の方法で
簡単にエネルギー変換効率を高めることができる新規な
熱電変換素子を提供することを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】請求項１の熱電変換素子
は、合金組成が互いに異なる２種類の熱電変換用合金の
それぞれからなる薄膜を交互に積層してなり、薄膜と直
交する方向の端部に電位差もしくは温度差を与えるよう
に構成してなるものである。請求項２の熱電変換素子
は、熱電変換用合金がＢｉ1-xＳｂxであり、一方の熱電
変換用合金の組成がｘ＝０．０９５〜０．１２であり、
他方の熱電変換用合金の組成がｘ＝０．１３〜０．１５
であるものである。
は、合金組成が互いに異なる２種類の熱電変換用合金の
それぞれからなる薄膜を交互に積層してなり、薄膜と直
交する方向の端部に電位差もしくは温度差を与えるよう
に構成してなるものである。請求項２の熱電変換素子
は、熱電変換用合金がＢｉ1-xＳｂxであり、一方の熱電
変換用合金の組成がｘ＝０．０９５〜０．１２であり、
他方の熱電変換用合金の組成がｘ＝０．１３〜０．１５
であるものである。
【０００７】請求項３の熱電変換素子は、一方の熱電変
換用合金からなる薄膜の厚さが１０〜５０μｍであり、
他方の熱電変換用合金からなる薄膜の厚さが０．０５〜
０．１μｍであるものである。
換用合金からなる薄膜の厚さが１０〜５０μｍであり、
他方の熱電変換用合金からなる薄膜の厚さが０．０５〜
０．１μｍであるものである。
【０００８】
【作用】請求項１の熱電変換素子であれば、合金組成が
互いに異なる２種類の熱電変換用合金のそれぞれからな
る薄膜を交互に積層してなり、薄膜と直交する方向の端
部に電位差もしくは温度差を与えるように構成してなる
のであるから、２種類の薄膜のうち、一方の薄膜が電子
の流れに関してバリア（障壁）として機能し、一方の薄
膜がバリアとして機能することに起因して、積層構造を
採用しない場合と比較してエネルギー変換効率を簡単に
高めることができる。
互いに異なる２種類の熱電変換用合金のそれぞれからな
る薄膜を交互に積層してなり、薄膜と直交する方向の端
部に電位差もしくは温度差を与えるように構成してなる
のであるから、２種類の薄膜のうち、一方の薄膜が電子
の流れに関してバリア（障壁）として機能し、一方の薄
膜がバリアとして機能することに起因して、積層構造を
採用しない場合と比較してエネルギー変換効率を簡単に
高めることができる。
【０００９】請求項２の熱電変換素子であれば、熱電変
換用合金がＢｉ1-xＳｂxであり、一方の熱電変換用合金
の組成がｘ＝０．０９５〜０．１２であり、他方の熱電
変換用合金の組成がｘ＝０．１３〜０．１５であるの
で、Ｂｉ1-xＳｂxからなる熱電変換用合金を用いた熱電
変換素子のエネルギー変換効率を、Ｂｉ1-xＳｂx単体の
エネルギー変換効率と比較して著しく高めることができ
る。
換用合金がＢｉ1-xＳｂxであり、一方の熱電変換用合金
の組成がｘ＝０．０９５〜０．１２であり、他方の熱電
変換用合金の組成がｘ＝０．１３〜０．１５であるの
で、Ｂｉ1-xＳｂxからなる熱電変換用合金を用いた熱電
変換素子のエネルギー変換効率を、Ｂｉ1-xＳｂx単体の
エネルギー変換効率と比較して著しく高めることができ
る。
【００１０】請求項３の熱電変換素子であれば、一方の
熱電変換用合金からなる薄膜の厚さが１０〜５０μｍで
あり、他方の熱電変換用合金からなる薄膜の厚さが０．
０５〜０．１μｍであるので、エネルギー変換効率をさ
らに高めることができる。さらに詳細に説明する。熱電
半導体（熱電変換用合金を含む）のエネルギー変換効率
は前記無次元性能指数値Ｚ＝α2σＴ／κで特徴づけら
れる。ここで、電気伝導率と熱伝導率（電子成分に起因
する熱伝導率）との間には、Ｗｉｅｄｅｍａｎ−Ｆｒａ
ｎｚ則によりκ／σＴ＝Ｌ０の関係が成立することが知
られている。このＬ０は物質の性質に直接には関係のな
い数（ローレンツ数と呼ばれる数）である。
熱電変換用合金からなる薄膜の厚さが１０〜５０μｍで
あり、他方の熱電変換用合金からなる薄膜の厚さが０．
０５〜０．１μｍであるので、エネルギー変換効率をさ
らに高めることができる。さらに詳細に説明する。熱電
半導体（熱電変換用合金を含む）のエネルギー変換効率
は前記無次元性能指数値Ｚ＝α2σＴ／κで特徴づけら
れる。ここで、電気伝導率と熱伝導率（電子成分に起因
する熱伝導率）との間には、Ｗｉｅｄｅｍａｎ−Ｆｒａ
ｎｚ則によりκ／σＴ＝Ｌ０の関係が成立することが知
られている。このＬ０は物質の性質に直接には関係のな
い数（ローレンツ数と呼ばれる数）である。
【００１１】熱伝導率に関しては、電子成分と格子成分
とが共に熱伝導に寄与しているのであるが、前記Ｗｉｅ
ｄｅｍａｎ−Ｆｒａｎｚ則は電子成分のみに適用される
法則であり、また、この法則は熱電半導体に対しては厳
密には成立していない。しかし、ローレンツ数Ｌ０の定
数からのズレ（変化）が小さいので、Ｌ０に代えてそれ
を若干修正した値Ｌを採用すればよい。
とが共に熱伝導に寄与しているのであるが、前記Ｗｉｅ
ｄｅｍａｎ−Ｆｒａｎｚ則は電子成分のみに適用される
法則であり、また、この法則は熱電半導体に対しては厳
密には成立していない。しかし、ローレンツ数Ｌ０の定
数からのズレ（変化）が小さいので、Ｌ０に代えてそれ
を若干修正した値Ｌを採用すればよい。
【００１２】したがって、この修正されたＷｉｅｄｅｍ
ａｎ−Ｆｒａｎｚ則κ／σＴ＝Ｌを採用し、熱伝導率の
格子成分の寄与を無視する（格子成分が電子成分より十
分小さい物質を対象としているので、この仮定は妥当な
ものである）と、無次元性能指数値は、数１で表され
る。
ａｎ−Ｆｒａｎｚ則κ／σＴ＝Ｌを採用し、熱伝導率の
格子成分の寄与を無視する（格子成分が電子成分より十
分小さい物質を対象としているので、この仮定は妥当な
ものである）と、無次元性能指数値は、数１で表され
る。
【００１３】
【数１】
【００１４】また、熱電能の数学的表現は、数２で与え
られる。
られる。
【００１５】
【数２】
【００１６】ここで、ｅは素電荷、μはｃｈｅｍｉｃａ
ｌ ｐｏｔｅｎｔｉａｌと呼ばれるエネルギーの基準値
（すなわち、エネルギーεの電子はε−μの熱エネルギ
ーを実際に運ぶことになる）、ｆ（ε）はＦｅｒｍｉ分
布関数（エネルギーεに電子が存在している確率／割合
を表す関数）、σ（ε）は微分電気伝導率といわれる両
で、エネルギーεを持つ電子が電気伝導率に寄与する割
合を表しており、これを利用して電気伝導率σは数３の
ように表される。この数３は各エネルギーからの寄与を
足し合わせることにより全体の伝導率が得られることを
示している。
ｌ ｐｏｔｅｎｔｉａｌと呼ばれるエネルギーの基準値
（すなわち、エネルギーεの電子はε−μの熱エネルギ
ーを実際に運ぶことになる）、ｆ（ε）はＦｅｒｍｉ分
布関数（エネルギーεに電子が存在している確率／割合
を表す関数）、σ（ε）は微分電気伝導率といわれる両
で、エネルギーεを持つ電子が電気伝導率に寄与する割
合を表しており、これを利用して電気伝導率σは数３の
ように表される。この数３は各エネルギーからの寄与を
足し合わせることにより全体の伝導率が得られることを
示している。
【００１７】
【数３】
【００１８】これら数１、数２、数３から無次元性能指
数値Ｚを微分電気伝導率σ（ε）の汎関数とみなすこと
ができる。また、合金組成が互いに異なる２種類の熱電
変換用合金のそれぞれからなる薄膜を交互に積層するこ
とにより、大きさがεＢのバリアが形成された場合に
は、バリアはエネルギーがεＢ以下の電子の通過を阻止
する。したがって、微分電気伝導率σ（ε）は数４とな
る。
数値Ｚを微分電気伝導率σ（ε）の汎関数とみなすこと
ができる。また、合金組成が互いに異なる２種類の熱電
変換用合金のそれぞれからなる薄膜を交互に積層するこ
とにより、大きさがεＢのバリアが形成された場合に
は、バリアはエネルギーがεＢ以下の電子の通過を阻止
する。したがって、微分電気伝導率σ（ε）は数４とな
る。
【００１９】
【数４】
【００２０】数４を汎関数という考え方を用いて表して
いく。バリアによって微分電気伝導率がσ（ε）→σ
（ε）＋δσ（ε）と変化したとき、無次元性能指数値
もＺ→Ｚ＋δＺと変化する。これらを数式で表すと数
５、数６となる。
いく。バリアによって微分電気伝導率がσ（ε）→σ
（ε）＋δσ（ε）と変化したとき、無次元性能指数値
もＺ→Ｚ＋δＺと変化する。これらを数式で表すと数
５、数６となる。
【００２１】
【数５】
【００２２】
【数６】
【００２３】ここで、汎関数微分を計算し、数５を数６
に代入すると、最終的に無次元性能指数値を数７のよう
に表すことができる。
に代入すると、最終的に無次元性能指数値を数７のよう
に表すことができる。
【００２４】
【数７】
【００２５】ここで、本願発明の目的を達成するために
は、バリアを形成した場合に無次元性能指数値の変化が
正でなければならない。数８では、σ、σ（ε）、数９
は正の量であり、αは電子が伝導を担う場合には負とな
るので、（ε−μ）／ｅＴ＋αが負であれば無次元性能
指数値の変化は必ず正になる。したがって、バリアを作
成することに伴って無次元性能指数値の変化が正になる
ための条件は数８で与えられる。
は、バリアを形成した場合に無次元性能指数値の変化が
正でなければならない。数８では、σ、σ（ε）、数９
は正の量であり、αは電子が伝導を担う場合には負とな
るので、（ε−μ）／ｅＴ＋αが負であれば無次元性能
指数値の変化は必ず正になる。したがって、バリアを作
成することに伴って無次元性能指数値の変化が正になる
ための条件は数８で与えられる。
【００２６】
【数８】
【数９】
【００２７】そして、εＢ＝μ−ｅαＴが無次元性能指
数値の変化を最大にするバリアの大きさである。すなわ
ち、バリアの大きさがεＢよりも大きい場合には、εＢ
よりも大きい部分からの無次元性能指数値の変化への寄
与（数７中での寄与）が負になり、バリアの大きさがε
Ｂよりも小さい場合には、積分する範囲が小さくななる
ので無次元性能指数値の変化が小さくなる。したがっ
て、バリアの大きさがεＢの場合に無次元性能指数値が
最も増大することが分かる。
数値の変化を最大にするバリアの大きさである。すなわ
ち、バリアの大きさがεＢよりも大きい場合には、εＢ
よりも大きい部分からの無次元性能指数値の変化への寄
与（数７中での寄与）が負になり、バリアの大きさがε
Ｂよりも小さい場合には、積分する範囲が小さくななる
ので無次元性能指数値の変化が小さくなる。したがっ
て、バリアの大きさがεＢの場合に無次元性能指数値が
最も増大することが分かる。
【００２８】
【発明の実施の形態】以下、添付図面によってこの発明
の実施の態様を詳細に説明する。図１はこの発明の熱電
変換素子の一実施態様を示す概略図である。この熱電変
換素子は、全体がＢｉ1-xＳｂxからなるものであり、し
かも、０．０８≦ｘ＜０．１３に設定した第１の薄膜１
と、０．１３≦ｘ≦０．２５に設定した第２の薄膜２と
を交互に積層してなるものである。ここで、Ｂｉ1-xＳ
ｂxの電子帯構造の組成依存性は図２に示すとおりであ
り、積層構造を採用しない場合には、ｘ＝０．１２に設
定することによりエネルギー変換効率を最大にすること
ができる。
の実施の態様を詳細に説明する。図１はこの発明の熱電
変換素子の一実施態様を示す概略図である。この熱電変
換素子は、全体がＢｉ1-xＳｂxからなるものであり、し
かも、０．０８≦ｘ＜０．１３に設定した第１の薄膜１
と、０．１３≦ｘ≦０．２５に設定した第２の薄膜２と
を交互に積層してなるものである。ここで、Ｂｉ1-xＳ
ｂxの電子帯構造の組成依存性は図２に示すとおりであ
り、積層構造を採用しない場合には、ｘ＝０．１２に設
定することによりエネルギー変換効率を最大にすること
ができる。
【００２９】図３は図１の熱電変換素子に対応するエネ
ルギーギャップの空間変化を示す図であり、図２の組成
依存性を参照することにより得られる。図４は薄膜の積
層構造を採用していない熱電変換素子における発電効率
を説明する図であり、熱電変換素子の両端に温度差が与
えられた場合には、以下のようにして電圧が発生し、発
電が行われる。
ルギーギャップの空間変化を示す図であり、図２の組成
依存性を参照することにより得られる。図４は薄膜の積
層構造を採用していない熱電変換素子における発電効率
を説明する図であり、熱電変換素子の両端に温度差が与
えられた場合には、以下のようにして電圧が発生し、発
電が行われる。
【００３０】熱電変換素子の低温側に存在する電子は少
ない熱エネルギーを受け取るだけであるから、電子の持
つエネルギーが低い（電子は低エネルギー部分に多く存
在する）。これに対して高温側に存在する電子は多い熱
エネルギーを受け取るのであるから、電子の持つエネル
ギーが高い（電子は高エネルギー部分に多く存在す
る）。そして、これらの電子はそれぞれ熱電変換素子の
他方の端部に向かって移動することになるが、高温側か
ら低温側への電子の流れが低温側から高温側への電子の
流れよりも優勢になり、熱電変換素子の低温側に電子が
溜まり易くなる。
ない熱エネルギーを受け取るだけであるから、電子の持
つエネルギーが低い（電子は低エネルギー部分に多く存
在する）。これに対して高温側に存在する電子は多い熱
エネルギーを受け取るのであるから、電子の持つエネル
ギーが高い（電子は高エネルギー部分に多く存在す
る）。そして、これらの電子はそれぞれ熱電変換素子の
他方の端部に向かって移動することになるが、高温側か
ら低温側への電子の流れが低温側から高温側への電子の
流れよりも優勢になり、熱電変換素子の低温側に電子が
溜まり易くなる。
【００３１】この結果、電子が熱電変換素子の低温側に
より多く溜まり、帯電して熱電変換素子中に電場（電
圧）が発生する。この電場は、高温側から低温側への電
子の流れを抑制するので、高温側から低温側への電子の
流れと低温側から高温側への電子の流れとがバランスを
回復し、一定の状態に落ち着く。したがって、熱電変換
素子の両端に温度差を与えることにより、熱電変換素子
に電圧が発生する。すなわち、発電を行うことができ
る。
より多く溜まり、帯電して熱電変換素子中に電場（電
圧）が発生する。この電場は、高温側から低温側への電
子の流れを抑制するので、高温側から低温側への電子の
流れと低温側から高温側への電子の流れとがバランスを
回復し、一定の状態に落ち着く。したがって、熱電変換
素子の両端に温度差を与えることにより、熱電変換素子
に電圧が発生する。すなわち、発電を行うことができ
る。
【００３２】図５は薄膜の積層構造によってバリアを形
成した熱電変換素子における発電効率を説明する図であ
る。この構成の熱電変換素子の両端に温度差を与えた場
合には、図４の場合と同様に、低温側に存在する電子の
持つエネルギーが低く、高温側に存在する電子の持つエ
ネルギーが高い。そして、これらの電子はそれぞれ熱電
変換素子の他方の端部に向かって移動することになる
が、エネルギーが低い電子（エネルギーがバリアの高さ
よりも低い電子）はバリアによってそれ以上の移動が阻
止され、熱電変換素子の低温側に一層多くの電子が溜ま
り易くなり、図４の場合と比較して、より大きな電圧が
発生する。すなわち、発電効率を高めることができる。
成した熱電変換素子における発電効率を説明する図であ
る。この構成の熱電変換素子の両端に温度差を与えた場
合には、図４の場合と同様に、低温側に存在する電子の
持つエネルギーが低く、高温側に存在する電子の持つエ
ネルギーが高い。そして、これらの電子はそれぞれ熱電
変換素子の他方の端部に向かって移動することになる
が、エネルギーが低い電子（エネルギーがバリアの高さ
よりも低い電子）はバリアによってそれ以上の移動が阻
止され、熱電変換素子の低温側に一層多くの電子が溜ま
り易くなり、図４の場合と比較して、より大きな電圧が
発生する。すなわち、発電効率を高めることができる。
【００３３】図６は無次元性能指数値の増大率δＺ／Ｚ
をｒｅｄｕｃｅｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｐｏｔｅｎｔｉ
ａｌ η＝μ／κＢＴの関数として示す図であり、上述
の説明が首肯できることが分かる。なお、図６におい
て、黒丸はイオン化不純物散乱の音響型格子散乱に対す
る比ｒが０の場合を、上向き黒三角はｒが１の場合を、
黒菱形はｒが１０の場合を、下向き黒三角はｒが１００
の場合をそれぞれ示している。
をｒｅｄｕｃｅｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｐｏｔｅｎｔｉ
ａｌ η＝μ／κＢＴの関数として示す図であり、上述
の説明が首肯できることが分かる。なお、図６におい
て、黒丸はイオン化不純物散乱の音響型格子散乱に対す
る比ｒが０の場合を、上向き黒三角はｒが１の場合を、
黒菱形はｒが１０の場合を、下向き黒三角はｒが１００
の場合をそれぞれ示している。
【００３４】また、本発明の特徴はバリアを作成するこ
とにより高エネルギーのキャリアの流れを作り出すこと
にある。このためバリア間の距離が長くなりすぎた場
合、バリア間でキャリアが音響型格子散乱によりエネル
ギーを失い、バリアがない場合のエネルギーの平均値と
変わらなくなり、性能指数改善の効果が失われる可能性
がある。このため、バリア間の距離は、バリアを通過し
たキャリアの持つエネルギーが、音響型格子散乱により
エネルギーを失い、バリアがない場合の平均値に緩和し
てしまう距離（エネルギー緩和長ｌε）よりも短くなく
てはならない。さらに、バリア間でのキャリアの伝導が
全体の輸送特性を特徴づけるためにバリア間の距離はバ
リアの厚みよりも厚くなくてはならない。
とにより高エネルギーのキャリアの流れを作り出すこと
にある。このためバリア間の距離が長くなりすぎた場
合、バリア間でキャリアが音響型格子散乱によりエネル
ギーを失い、バリアがない場合のエネルギーの平均値と
変わらなくなり、性能指数改善の効果が失われる可能性
がある。このため、バリア間の距離は、バリアを通過し
たキャリアの持つエネルギーが、音響型格子散乱により
エネルギーを失い、バリアがない場合の平均値に緩和し
てしまう距離（エネルギー緩和長ｌε）よりも短くなく
てはならない。さらに、バリア間でのキャリアの伝導が
全体の輸送特性を特徴づけるためにバリア間の距離はバ
リアの厚みよりも厚くなくてはならない。
【００３５】さらに、バリアはキャリアのエネルギーを
フィルターするだけの役割を担うと考えているため、キ
ャリアがバリア領域を通過する際に、この領域で格子振
動により多数回散乱を受けると、本発明の性能改善効果
が失われる可能性がある。このため、バリアの厚さは平
均自由行程（キャリアが散乱を受けないで進める平均距
離）よりも短くなくてはならない。ただし、バリアを薄
くしすぎると量子力学的トンネリング効果によりバリア
内部をキャリアが横ぎるようになり、バリアとしての役
割をなさなくなるため、０．０５μｍよりも厚いことが
好ましい。
フィルターするだけの役割を担うと考えているため、キ
ャリアがバリア領域を通過する際に、この領域で格子振
動により多数回散乱を受けると、本発明の性能改善効果
が失われる可能性がある。このため、バリアの厚さは平
均自由行程（キャリアが散乱を受けないで進める平均距
離）よりも短くなくてはならない。ただし、バリアを薄
くしすぎると量子力学的トンネリング効果によりバリア
内部をキャリアが横ぎるようになり、バリアとしての役
割をなさなくなるため、０．０５μｍよりも厚いことが
好ましい。
【００３６】このような点を考慮するため、ホット・エ
レクトロン理論を用いてエネルギー緩和長ｌεと平均自
由行程ｌｍとの比をｒｅｄｕｃｅｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ
ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ηの関数として計算した。この
結果が図７から図９に示してある。なお、図７は温度Ｔ
＝１００Ｋの場合、図８はＴ＝２００Ｋの場合、図９は
Ｔ＝３００Ｋの場合をそれぞれ示している。これらの図
中の黒三角、黒菱形は図６におけるのと同様である。ね
つでん変換に用いられる材料がｎａｒｒｏｗｇａｐ ｓ
ｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒであることから、ηは０の近
傍であると考えられる。このため、これらの図から、エ
ネルギー緩和長ｌεは平均自由行程ｌｍの１００〜１０
００倍程度であることが分かる。
レクトロン理論を用いてエネルギー緩和長ｌεと平均自
由行程ｌｍとの比をｒｅｄｕｃｅｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ
ｐｏｔｅｎｔｉａｌ ηの関数として計算した。この
結果が図７から図９に示してある。なお、図７は温度Ｔ
＝１００Ｋの場合、図８はＴ＝２００Ｋの場合、図９は
Ｔ＝３００Ｋの場合をそれぞれ示している。これらの図
中の黒三角、黒菱形は図６におけるのと同様である。ね
つでん変換に用いられる材料がｎａｒｒｏｗｇａｐ ｓ
ｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒであることから、ηは０の近
傍であると考えられる。このため、これらの図から、エ
ネルギー緩和長ｌεは平均自由行程ｌｍの１００〜１０
００倍程度であることが分かる。
【００３７】上述の結果と、Ｂｉ1-xＳｂxに対しては平
均自由行程ｌｍが０．１μｍ程度であることから、第１
の薄膜１の厚さを１０〜５０μｍ、第２の薄膜２の厚さ
を０．０５〜０．１μｍに設定することが好ましいこと
が分かる。ただし、ｘの範囲は、第１の薄膜１について
ｘ＝０．０９５〜０．１２に設定し、第２の薄膜２につ
いてｘ＝０．１３〜０．１５に設定することが好まし
い。これは、現在知られているＢｉ1-xＳｂxの最適組成
を基本的な輸送特性を決定する薄膜１に採用し、図２の
電子帯構造、数８および熱電能が１２０μＶ／Ｋ程度で
ある事実を用いて最適となるバリアの高さに相当する薄
膜２の組成を決定したことに相当する。
均自由行程ｌｍが０．１μｍ程度であることから、第１
の薄膜１の厚さを１０〜５０μｍ、第２の薄膜２の厚さ
を０．０５〜０．１μｍに設定することが好ましいこと
が分かる。ただし、ｘの範囲は、第１の薄膜１について
ｘ＝０．０９５〜０．１２に設定し、第２の薄膜２につ
いてｘ＝０．１３〜０．１５に設定することが好まし
い。これは、現在知られているＢｉ1-xＳｂxの最適組成
を基本的な輸送特性を決定する薄膜１に採用し、図２の
電子帯構造、数８および熱電能が１２０μＶ／Ｋ程度で
ある事実を用いて最適となるバリアの高さに相当する薄
膜２の組成を決定したことに相当する。
【００３８】以上には発電に着目した説明のみを行った
が、熱電変換素子の吸熱に関しても、吸熱効果を表す性
能指数は発電の場合と全く同じであるので、バリアを作
成することによって吸熱効率を高めることができる。な
お、以上には、Ｂｉ1-xＳｂxのみを例示しているが、他
の熱電変換用合金（ビスマス・テルル合金など）にも適
用できることはもちろんである。
が、熱電変換素子の吸熱に関しても、吸熱効果を表す性
能指数は発電の場合と全く同じであるので、バリアを作
成することによって吸熱効率を高めることができる。な
お、以上には、Ｂｉ1-xＳｂxのみを例示しているが、他
の熱電変換用合金（ビスマス・テルル合金など）にも適
用できることはもちろんである。
【００３９】
【発明の効果】請求項１の発明は、２種類の薄膜のう
ち、一方の薄膜が電子の流れに関してバリア（障壁）と
して機能し、一方の薄膜がバリアとして機能することに
起因して、積層構造を採用しない場合と比較してエネル
ギー変換効率を簡単に高めることができるという特有の
効果を奏する。
ち、一方の薄膜が電子の流れに関してバリア（障壁）と
して機能し、一方の薄膜がバリアとして機能することに
起因して、積層構造を採用しない場合と比較してエネル
ギー変換効率を簡単に高めることができるという特有の
効果を奏する。
【００４０】請求項２の発明は、Ｂｉ1-xＳｂxからなる
熱電変換用合金を用いた熱電変換素子のエネルギー変換
効率を、Ｂｉ1-xＳｂx単体のエネルギー変換効率と比較
して著しく高めることができるという特有の効果を奏す
る。請求項３の発明は、エネルギー変換効率をさらに高
めることができるという特有の効果を奏する。
熱電変換用合金を用いた熱電変換素子のエネルギー変換
効率を、Ｂｉ1-xＳｂx単体のエネルギー変換効率と比較
して著しく高めることができるという特有の効果を奏す
る。請求項３の発明は、エネルギー変換効率をさらに高
めることができるという特有の効果を奏する。
【図１】この発明の熱電変換素子の一実施態様を示す概
略図である。
略図である。
【図２】Ｂｉ1-xＳｂxの電子帯構造の組成依存性を示す
図である。
図である。
【図３】図１の熱電変換素子に対応するエネルギーギャ
ップの空間変化を示す図である。
ップの空間変化を示す図である。
【図４】薄膜の積層構造を採用していない熱電変換素子
における発電効率を説明する図である。
における発電効率を説明する図である。
【図５】薄膜の積層構造によってバリアを形成した熱電
変換素子における発電効率を説明する図である。
変換素子における発電効率を説明する図である。
【図６】無次元性能指数値の増大率δＺ／Ｚをｒｅｄｕ
ｃｅｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ μ／
κＢＴの関数として示す図である。
ｃｅｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ μ／
κＢＴの関数として示す図である。
【図７】Ｔ＝１００Ｋの場合における、高エネルギーか
ら平均エネルギーになるまでの距離ｌεの平均自由行程
ｌｍに対する比をｒｅｄｕｃｅｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ
ｐｏｔｅｎｔｉａｌ η＝μ／κＢＴの関数として示す
図である。
ら平均エネルギーになるまでの距離ｌεの平均自由行程
ｌｍに対する比をｒｅｄｕｃｅｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ
ｐｏｔｅｎｔｉａｌ η＝μ／κＢＴの関数として示す
図である。
【図８】Ｔ＝２００Ｋの場合における、高エネルギーか
ら平均エネルギーになるまでの距離ｌεの平均自由行程
ｌｍに対する比をｒｅｄｕｃｅｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ
ｐｏｔｅｎｔｉａｌ η＝μ／κＢＴの関数として示す
図である。
ら平均エネルギーになるまでの距離ｌεの平均自由行程
ｌｍに対する比をｒｅｄｕｃｅｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ
ｐｏｔｅｎｔｉａｌ η＝μ／κＢＴの関数として示す
図である。
【図９】Ｔ＝３００Ｋの場合における、高エネルギーか
ら平均エネルギーになるまでの距離ｌεの平均自由行程
ｌｍに対する比をｒｅｄｕｃｅｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ
ｐｏｔｅｎｔｉａｌ η＝μ／κＢＴの関数として示す
図である。
ら平均エネルギーになるまでの距離ｌεの平均自由行程
ｌｍに対する比をｒｅｄｕｃｅｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ
ｐｏｔｅｎｔｉａｌ η＝μ／κＢＴの関数として示す
図である。
１ 第１の薄膜 ２ 第２の薄膜
Claims (3)
- 【請求項１】 合金組成が互いに異なる２種類の熱電変
換用合金のそれぞれからなる薄膜（１）（２）を交互に
積層してなり、薄膜（１）（２）と直交する方向の端部
に電位差もしくは温度差を与えるように構成してなるこ
とを特徴とする熱電変換素子。 - 【請求項２】 熱電変換用合金がＢｉ1-xＳｂxであり、
一方の熱電変換用合金の組成がｘ＝０．０９５〜０．１
２であり、他方の熱電変換用合金の組成がｘ＝０．１３
〜０．１５である請求項１に記載の熱電変換素子。 - 【請求項３】 一方の熱電変換用合金からなる薄膜
（１）の厚さが１０〜５０μｍであり、他方の熱電変換
用合金からなる薄膜（２）の厚さが０．０５〜０．１μ
ｍである請求項２に記載の熱電変換素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14952996A JP3582233B2 (ja) | 1996-06-11 | 1996-06-11 | 熱電変換素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP14952996A JP3582233B2 (ja) | 1996-06-11 | 1996-06-11 | 熱電変換素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09331083A true JPH09331083A (ja) | 1997-12-22 |
| JP3582233B2 JP3582233B2 (ja) | 2004-10-27 |
Family
ID=15477138
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP14952996A Expired - Fee Related JP3582233B2 (ja) | 1996-06-11 | 1996-06-11 | 熱電変換素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3582233B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006521698A (ja) * | 2003-03-13 | 2006-09-21 | エネコ インコーポレイテッド | 固体エネルギー変換器 |
| JP2018174273A (ja) * | 2017-03-31 | 2018-11-08 | トヨタ自動車株式会社 | 熱電変換材料及びその製造方法 |
-
1996
- 1996-06-11 JP JP14952996A patent/JP3582233B2/ja not_active Expired - Fee Related
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006521698A (ja) * | 2003-03-13 | 2006-09-21 | エネコ インコーポレイテッド | 固体エネルギー変換器 |
| JP2018174273A (ja) * | 2017-03-31 | 2018-11-08 | トヨタ自動車株式会社 | 熱電変換材料及びその製造方法 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3582233B2 (ja) | 2004-10-27 |
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