JPH1022531A - 熱電変換素子 - Google Patents
熱電変換素子Info
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- JPH1022531A JPH1022531A JP8191536A JP19153696A JPH1022531A JP H1022531 A JPH1022531 A JP H1022531A JP 8191536 A JP8191536 A JP 8191536A JP 19153696 A JP19153696 A JP 19153696A JP H1022531 A JPH1022531 A JP H1022531A
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- thermoelectric conversion
- conversion element
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 Ｐ型半導体とＮ型半導体とをＰＮ接合した構
成からなる熱電変換素子において、高い熱起電力と電流
値を発生させることが可能なＰＮ接合の接合部材と接合
構造を有した熱電変換素子の提供。 【解決手段】 ＰＮ接合部を白金族の金属膜を介して形
成し、挟持部材１０の凹部にＰ型半導体１とＮ型半導体
３の突起部端面２，４を挿入して両半導体１，３と挟持
部材１０間に銀ろう材等を介在させてろう付け固着する
ことにより、ＰＮ接合部の酸化が抑えられると同時に半
導体と白金族元素間での相互拡散が抑制され、高温で高
い熱起電力が長時間安定して得られる。
成からなる熱電変換素子において、高い熱起電力と電流
値を発生させることが可能なＰＮ接合の接合部材と接合
構造を有した熱電変換素子の提供。 【解決手段】 ＰＮ接合部を白金族の金属膜を介して形
成し、挟持部材１０の凹部にＰ型半導体１とＮ型半導体
３の突起部端面２，４を挿入して両半導体１，３と挟持
部材１０間に銀ろう材等を介在させてろう付け固着する
ことにより、ＰＮ接合部の酸化が抑えられると同時に半
導体と白金族元素間での相互拡散が抑制され、高温で高
い熱起電力が長時間安定して得られる。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、鉄硅化物（Ｆｅ
Ｓｉ2）を主体とするＰ型半導体とＮ型半導体とをＰＮ
接合した構成からなる熱電変換素子の改良に係り、ＰＮ
接合部を白金族からなる金属膜を介在させて形成し発電
能力（変換効率）を向上させた熱電変換素子に関する。
Ｓｉ2）を主体とするＰ型半導体とＮ型半導体とをＰＮ
接合した構成からなる熱電変換素子の改良に係り、ＰＮ
接合部を白金族からなる金属膜を介在させて形成し発電
能力（変換効率）を向上させた熱電変換素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】Ｓｉ，Ｇｅに５価元素、３価元素をドー
ブしたＮ型、Ｐ型半導体、あるいは鉄硅化物（ＦｅＳｉ
2）に各々マンガン（Ｍｎ）またはコバルト（Ｃｏ）等
をドープしたＰ型、Ｎ型半導体とを一端側で接合して形
成したＵ字型の熱電変換素子は、温度差を与えるだけで
簡単に起電力を生じることから、熱エネルギーの有効利
用への要求が高まっている今日、実用化が期待されてい
るデバイスである。
ブしたＮ型、Ｐ型半導体、あるいは鉄硅化物（ＦｅＳｉ
2）に各々マンガン（Ｍｎ）またはコバルト（Ｃｏ）等
をドープしたＰ型、Ｎ型半導体とを一端側で接合して形
成したＵ字型の熱電変換素子は、温度差を与えるだけで
簡単に起電力を生じることから、熱エネルギーの有効利
用への要求が高まっている今日、実用化が期待されてい
るデバイスである。
【０００３】このような熱電変換素子の熱起電力は、原
理的には高温側であるＰＮ接合部と低温側である陽極側
および陰極側端部との温度差ΔＴによって決まる。しか
しながら、熱起電力によって生じる電流値は、該接合部
の接合部材と半導体間とＰ型、Ｎ型半導体間の熱による
相互拡散と、酸化により大きく影響される。もちろん、
該半導体中の不純物、異相の混入等によっても熱起電力
特性は影響されるが、該接続部の問題が経時変化の面で
近い将来大きな課題となるものと予想される。
理的には高温側であるＰＮ接合部と低温側である陽極側
および陰極側端部との温度差ΔＴによって決まる。しか
しながら、熱起電力によって生じる電流値は、該接合部
の接合部材と半導体間とＰ型、Ｎ型半導体間の熱による
相互拡散と、酸化により大きく影響される。もちろん、
該半導体中の不純物、異相の混入等によっても熱起電力
特性は影響されるが、該接続部の問題が経時変化の面で
近い将来大きな課題となるものと予想される。
【０００４】現在では、バルク同士の接合の場合には銀
ろう付け、もしくは遷移金属による接合で、また粉末冶
金的に作製する場合には、直接Ｐ型、Ｎ型半導体の粉末
を成形接合する手法が採られているが、接合条件によっ
て熱起電力と電流値は共に大きく変わる。
ろう付け、もしくは遷移金属による接合で、また粉末冶
金的に作製する場合には、直接Ｐ型、Ｎ型半導体の粉末
を成形接合する手法が採られているが、接合条件によっ
て熱起電力と電流値は共に大きく変わる。
【０００５】また、熱電変換素子は激しい温度変化を伴
うため、熱応力によって接合部にクラックが発生した
り、折れたりすることがあるために、この点からも接合
技術は大きな課題であり、今後半導体の材質によっても
接合部材も変えていく必要があると思われる。
うため、熱応力によって接合部にクラックが発生した
り、折れたりすることがあるために、この点からも接合
技術は大きな課題であり、今後半導体の材質によっても
接合部材も変えていく必要があると思われる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】Ｐ型とＮ型半導体を粉
末冶金的に直接接合する場合には問題ないが、バルクを
銀ろう等の金属により接合する場合には、金属と半導体
との間の熱電能によって発生する熱起電力は変わる。つ
まり熱電能の低い金属（例えば、銀ろう、遷移金属をベ
ースとした金属）と半導体との間では熱起電力は低下す
るために、接合後の熱起電力もまた低下する。これは物
理的には接合に使用する金属の電子のフェルミレベル、
そのエネルギーでのエネルギー状態密度、さらに半導体
の充満帯と価電子帯とフェルミエネルギーレベルとの相
対的なエネルギー差によって決まるので、接合部材に使
用する材料の選択は大切である。もちろんこれは電流値
についても言えることである。
末冶金的に直接接合する場合には問題ないが、バルクを
銀ろう等の金属により接合する場合には、金属と半導体
との間の熱電能によって発生する熱起電力は変わる。つ
まり熱電能の低い金属（例えば、銀ろう、遷移金属をベ
ースとした金属）と半導体との間では熱起電力は低下す
るために、接合後の熱起電力もまた低下する。これは物
理的には接合に使用する金属の電子のフェルミレベル、
そのエネルギーでのエネルギー状態密度、さらに半導体
の充満帯と価電子帯とフェルミエネルギーレベルとの相
対的なエネルギー差によって決まるので、接合部材に使
用する材料の選択は大切である。もちろんこれは電流値
についても言えることである。
【０００７】この発明は、Ｐ型半導体とＮ型半導体とを
ＰＮ接合した構成からなる熱電変換素子において、高い
熱起電力と電流値を発生させることが可能なＰＮ接合の
接合部材と接合構造を有した熱電変換素子の提供を目的
としている。
ＰＮ接合した構成からなる熱電変換素子において、高い
熱起電力と電流値を発生させることが可能なＰＮ接合の
接合部材と接合構造を有した熱電変換素子の提供を目的
としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】発明者らは、ＰＮ接合の
接合部材として種々検討した結果、一般には熱電素子の
熱起電力はＰＮ接合の接合部材の材質によって大きな変
化はないと信じられているが、接合部の接合金属の電子
状態によっても変化し得ることを知見し、さらに、鋭意
検討を加えた結果、熱電能の高い白金族（Ｐｔ，Ｐｄ
等）を接合部材として使用することにより、熱起電力の
高い熱電変換素子が得られることを知見し、この発明を
完成した。
接合部材として種々検討した結果、一般には熱電素子の
熱起電力はＰＮ接合の接合部材の材質によって大きな変
化はないと信じられているが、接合部の接合金属の電子
状態によっても変化し得ることを知見し、さらに、鋭意
検討を加えた結果、熱電能の高い白金族（Ｐｔ，Ｐｄ
等）を接合部材として使用することにより、熱起電力の
高い熱電変換素子が得られることを知見し、この発明を
完成した。
【０００９】すなわち、発明者らは、フェルミエネルギ
ーでのエネルギー状態密度が高く、電気抵抗の低い白金
族（Ｐｔ，Ｐｄ等）は、熱電能が高くまた耐熱性、耐食
性に優れており、接合部材として使用すると、従来の銀
ろう等による接合に比べて、高い熱電力が発生するこ
と、また、白金族は一般に融点が高いために、半導体と
金属の間での熱による相互拡散が少なくなることを知見
した。
ーでのエネルギー状態密度が高く、電気抵抗の低い白金
族（Ｐｔ，Ｐｄ等）は、熱電能が高くまた耐熱性、耐食
性に優れており、接合部材として使用すると、従来の銀
ろう等による接合に比べて、高い熱電力が発生するこ
と、また、白金族は一般に融点が高いために、半導体と
金属の間での熱による相互拡散が少なくなることを知見
した。
【００１０】すなわち、この発明は、Ｐ型半導体とＮ型
半導体とをその一端側でＰＮ接合を形成する熱電変換素
子において、前記一対の半導体間に白金族（Ｒｕ，Ｒ
ｈ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｏｓ，Ｐｔ）のいずれか１種の金属膜
を介在させて固定した熱電変換素子である。
半導体とをその一端側でＰＮ接合を形成する熱電変換素
子において、前記一対の半導体間に白金族（Ｒｕ，Ｒ
ｈ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｏｓ，Ｐｔ）のいずれか１種の金属膜
を介在させて固定した熱電変換素子である。
【００１１】
【発明の実施の形態】図１、図２は、この発明の熱電変
換素子の一実施例を示す斜視説明図である。まず、Ｓｉ
あるいは鉄硅化物（ＦｅＳｉ2）を主体とするＰ型半導
体１、Ｎ型半導体３を略Ｌ字型に加工して形成したＰＮ
接合部を構成するための突起部端面２に、白金族（Ｒ
ｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｏｓ，Ｐｔ）のいずれか１種の
金属膜を形成する。金属膜の形成方法は当該端面に蒸着
やスパッタリング法で形成する他、後述の素子組立時に
Ｐ型半導体１とＮ型半導体３の突起部端面２，４間に金
属箔を介在させることもできる。この金属膜あるいは金
属箔の厚みは、１μｍ〜２０μｍが好ましい。
換素子の一実施例を示す斜視説明図である。まず、Ｓｉ
あるいは鉄硅化物（ＦｅＳｉ2）を主体とするＰ型半導
体１、Ｎ型半導体３を略Ｌ字型に加工して形成したＰＮ
接合部を構成するための突起部端面２に、白金族（Ｒ
ｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｏｓ，Ｐｔ）のいずれか１種の
金属膜を形成する。金属膜の形成方法は当該端面に蒸着
やスパッタリング法で形成する他、後述の素子組立時に
Ｐ型半導体１とＮ型半導体３の突起部端面２，４間に金
属箔を介在させることもできる。この金属膜あるいは金
属箔の厚みは、１μｍ〜２０μｍが好ましい。
【００１２】突起部端面２，４間に介在させる白金族の
金属膜５でＰ型半導体１とＮ型半導体３を接合すること
ができないため、例えば図２に示すごとく、絶縁性セラ
ミックス材からなるコ字型からなる挟持部材１０の凹部
にＰ型半導体１とＮ型半導体３の突起部端面２，４を挿
入して両半導体１，３と挟持部材１０間に銀ろう材等を
介在させてろう付け固着することにより熱電変換素子を
組立ることができる。すなわち、この接合部を高温部に
すると共に、Ｐ型、Ｎ型両半導体１，３の他端部を低温
側端子として構成したＵ字型の素子であり、Ｐ型半導体
１とＮ型半導体３の上端部には電気的接続を形成するリ
ード６，７を設けた構成からなる熱電変換素子を得るこ
とができる。
金属膜５でＰ型半導体１とＮ型半導体３を接合すること
ができないため、例えば図２に示すごとく、絶縁性セラ
ミックス材からなるコ字型からなる挟持部材１０の凹部
にＰ型半導体１とＮ型半導体３の突起部端面２，４を挿
入して両半導体１，３と挟持部材１０間に銀ろう材等を
介在させてろう付け固着することにより熱電変換素子を
組立ることができる。すなわち、この接合部を高温部に
すると共に、Ｐ型、Ｎ型両半導体１，３の他端部を低温
側端子として構成したＵ字型の素子であり、Ｐ型半導体
１とＮ型半導体３の上端部には電気的接続を形成するリ
ード６，７を設けた構成からなる熱電変換素子を得るこ
とができる。
【００１３】この挟持部材１０の材料には、チタン酸バ
リウム、チタン酸カルシウム、酸化チタン等の絶縁性セ
ラミックスが好ましく、また、挟持部材１０の構成は、
要求される熱電変換素子の構造に応じて、複数の素子を
同時に装着できる構成など適宜選定でき、例えば、図３
Ａに示す例は挟持部材１０内に複数の素子を直列配置し
たもので、図３Ｂは挟持部材１０内に複数の素子をＰｔ
金属ワイヤで接続して並列配置した構成を示す。
リウム、チタン酸カルシウム、酸化チタン等の絶縁性セ
ラミックスが好ましく、また、挟持部材１０の構成は、
要求される熱電変換素子の構造に応じて、複数の素子を
同時に装着できる構成など適宜選定でき、例えば、図３
Ａに示す例は挟持部材１０内に複数の素子を直列配置し
たもので、図３Ｂは挟持部材１０内に複数の素子をＰｔ
金属ワイヤで接続して並列配置した構成を示す。
【００１４】
実施例１，２ 図２に示す熱電変換素子を作製するため、硅素（Ｓｉ）
にＡｌを０．００３ｗｔ％ドープしたＰ型半導体と硅素
（Ｓｉ）にＰを０．００３ｗｔ％ドープしたＮ型半導体
を用い、各半導体の端面にスパッターでＰｔ金属膜、Ｐ
ｄ金属膜を各４μｍ厚みに成膜し、チタン酸バリウムか
らなるコ字型挟持部材を用いて前記半導体をＡｇろうで
７５０℃でろう付け固着して接合した。得られた熱電変
換素子の高温部と低温部の温度差４００℃での熱電素子
の熱起電力を測定した。測定結果を表１に示す。
にＡｌを０．００３ｗｔ％ドープしたＰ型半導体と硅素
（Ｓｉ）にＰを０．００３ｗｔ％ドープしたＮ型半導体
を用い、各半導体の端面にスパッターでＰｔ金属膜、Ｐ
ｄ金属膜を各４μｍ厚みに成膜し、チタン酸バリウムか
らなるコ字型挟持部材を用いて前記半導体をＡｇろうで
７５０℃でろう付け固着して接合した。得られた熱電変
換素子の高温部と低温部の温度差４００℃での熱電素子
の熱起電力を測定した。測定結果を表１に示す。
【００１５】なお、熱電変換素子の低温側端子は、測定
用リード線と半田接合した。また、熱電変換素子の熱起
電力の特性は、熱電素子のＰＮ接合部をヒーター加熱
し、Ｕ字状の素子の両端部を送風機により冷却して、高
温部と低温部の温度差ΔＴによって生成される熱起電力
をデジタルマルチメーターで測定した。
用リード線と半田接合した。また、熱電変換素子の熱起
電力の特性は、熱電素子のＰＮ接合部をヒーター加熱
し、Ｕ字状の素子の両端部を送風機により冷却して、高
温部と低温部の温度差ΔＴによって生成される熱起電力
をデジタルマルチメーターで測定した。
【００１６】実施例３，４ 図２に示す熱電変換素子を作製するため、鉄硅化物（Ｆ
ｅＳｉ2）にマンガン（Ｍｎ）を３ｗｔ％添加したＰ型
半導体と鉄硅化物にコバルト（Ｃｏ）を１ｗｔ％添加し
たＮ型半導体を用い、各半導体の端面にスパッターでＰ
ｔ金属膜、Ｐｄ金属膜を各４μｍ厚みに成膜し、チタン
酸バリウムからなるコ字型挟持部材を用いて前記半導体
をＡｇろうで７５０℃でろう付け固着して接合した。得
られた熱電変換素子の高温部と低温部の温度差４００℃
での熱電素子の熱起電力を実施例１，２と同様に測定し
た。測定結果を表１に示す。
ｅＳｉ2）にマンガン（Ｍｎ）を３ｗｔ％添加したＰ型
半導体と鉄硅化物にコバルト（Ｃｏ）を１ｗｔ％添加し
たＮ型半導体を用い、各半導体の端面にスパッターでＰ
ｔ金属膜、Ｐｄ金属膜を各４μｍ厚みに成膜し、チタン
酸バリウムからなるコ字型挟持部材を用いて前記半導体
をＡｇろうで７５０℃でろう付け固着して接合した。得
られた熱電変換素子の高温部と低温部の温度差４００℃
での熱電素子の熱起電力を実施例１，２と同様に測定し
た。測定結果を表１に示す。
【００１７】比較例１〜５ 実施例１〜４と同一方法で熱電変換素子を作製する際、
表１に示す従来の金属膜をスパッターで成膜して種々の
比較例の熱電変換素子を作製し、実施例と同様に測定し
た熱起電力を表１に示す。なお、表１の比較例Ｎｏ．４
については、プレス成形時に直接粉末成形接合した後、
焼結して得られた素子である。比較例Ｎｏ．５は銀ろう
接合したものである。
表１に示す従来の金属膜をスパッターで成膜して種々の
比較例の熱電変換素子を作製し、実施例と同様に測定し
た熱起電力を表１に示す。なお、表１の比較例Ｎｏ．４
については、プレス成形時に直接粉末成形接合した後、
焼結して得られた素子である。比較例Ｎｏ．５は銀ろう
接合したものである。
【００１８】
【表１】
【００１９】
【発明の効果】この発明による熱電変換素子は、ＰＮ接
合部を白金族からなる金属膜を介在させて形成し、発電
能力（変換効率）を向上させたことを特徴とし、さらに
白金族元素は高融点を有し、耐熱性と耐食性に優れてい
るために、熱電素子の接合部に使用すると、接合部の酸
化が抑えられると同時に、半導体と白金族元素間での相
互拡散が抑制され、高温で高い熱起電力が長時間安定し
て得られる利点を有する。
合部を白金族からなる金属膜を介在させて形成し、発電
能力（変換効率）を向上させたことを特徴とし、さらに
白金族元素は高融点を有し、耐熱性と耐食性に優れてい
るために、熱電素子の接合部に使用すると、接合部の酸
化が抑えられると同時に、半導体と白金族元素間での相
互拡散が抑制され、高温で高い熱起電力が長時間安定し
て得られる利点を有する。
【図１】この発明による熱電変換素子の半導体を示す斜
視説明図である。
視説明図である。
【図２】この発明による熱電変換素子を示す斜視説明図
である。
である。
【図３】この発明による複数の熱電変換素子を配置した
例で、Ａは直列配置、Ｂは並列配置を示す斜視説明図で
ある。
例で、Ａは直列配置、Ｂは並列配置を示す斜視説明図で
ある。
１ Ｐ型半導体 ２，４ 突起部端面 ３ Ｎ型半導体 ５ 金属膜 ６，７ リード １０ 挟持部材
Claims (2)
- 【請求項１】 Ｐ型半導体とＮ型半導体とをその一端側
でＰＮ接合を形成する熱電変換素子において、前記一対
の半導体間に白金族（Ｒｕ，Ｒｈ，Ｐｄ，Ｉｒ，Ｏｓ，
Ｐｔ）のいずれか１種の金属膜を介在させて固定した熱
電変換素子。 - 【請求項２】 請求項１において、ＰＮ接合部の固定手
段が絶縁性セラミックス材からなる挟持部材である熱電
変換素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8191536A JPH1022531A (ja) | 1996-07-01 | 1996-07-01 | 熱電変換素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP8191536A JPH1022531A (ja) | 1996-07-01 | 1996-07-01 | 熱電変換素子 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1022531A true JPH1022531A (ja) | 1998-01-23 |
Family
ID=16276310
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP8191536A Pending JPH1022531A (ja) | 1996-07-01 | 1996-07-01 | 熱電変換素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH1022531A (ja) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1999034450A1 (fr) * | 1997-12-27 | 1999-07-08 | Sumitomo Special Metals Co., Ltd. | Element thermoelectrique |
| AT410492B (de) * | 2000-05-02 | 2003-05-26 | Span Gerhard Dipl Ing Dr | Thermoelektrisches element mit mindestens einer n-schicht und mindestens einer p-schicht |
| US7028697B2 (en) | 2002-05-03 | 2006-04-18 | Whirlpool Corporation | In-sink dishwasher |
| JP2011005479A (ja) * | 2010-02-23 | 2011-01-13 | Panasonic Electric Works Co Ltd | 静電霧化装置及びその製造方法及びペルチェユニット |
| WO2014067589A1 (en) * | 2012-11-05 | 2014-05-08 | European Space Agency | Method for manufacturing thermoelectric conversion modules |
-
1996
- 1996-07-01 JP JP8191536A patent/JPH1022531A/ja active Pending
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO1999034450A1 (fr) * | 1997-12-27 | 1999-07-08 | Sumitomo Special Metals Co., Ltd. | Element thermoelectrique |
| AT410492B (de) * | 2000-05-02 | 2003-05-26 | Span Gerhard Dipl Ing Dr | Thermoelektrisches element mit mindestens einer n-schicht und mindestens einer p-schicht |
| US7028697B2 (en) | 2002-05-03 | 2006-04-18 | Whirlpool Corporation | In-sink dishwasher |
| JP2011005479A (ja) * | 2010-02-23 | 2011-01-13 | Panasonic Electric Works Co Ltd | 静電霧化装置及びその製造方法及びペルチェユニット |
| WO2014067589A1 (en) * | 2012-11-05 | 2014-05-08 | European Space Agency | Method for manufacturing thermoelectric conversion modules |
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