JPWO2015125823A1 - Semiconductor single crystal and power generation method using the same - Google Patents

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Abstract

n型半導体部12とp型半導体部14とこれらの間に真性半導体部16とを有し、真性半導体部16が、n型半導体部12及びp型半導体部14よりも小さいバンドギャップを有する半導体単結晶10を提供する。A semiconductor having an n-type semiconductor portion 12, a p-type semiconductor portion 14, and an intrinsic semiconductor portion 16 therebetween, and the intrinsic semiconductor portion 16 has a smaller band gap than the n-type semiconductor portion 12 and the p-type semiconductor portion 14. A single crystal 10 is provided.

Description

本開示は、半導体単結晶、及びこれを用いた発電方法に関する。   The present disclosure relates to a semiconductor single crystal and a power generation method using the same.

自動車及び航空機などの内燃機関では、化石燃料の燃焼によって得られたエネルギーを利用している。現状、内燃機関のエネルギー効率は、約30%に過ぎず、大半は熱エネルギーとして放出されている。この熱エネルギーを有効利用するために、ゼーベック効果を利用した様々な熱電材料が研究されている。   Internal combustion engines such as automobiles and aircraft use energy obtained by burning fossil fuels. At present, the energy efficiency of the internal combustion engine is only about 30%, and most is released as thermal energy. In order to effectively use this thermal energy, various thermoelectric materials utilizing the Seebeck effect have been studied.

熱電材料としては、種々の半導体材料が検討されている。例えば、特許文献1では、p型半導体の熱電材料としてCoSbと、n型半導体の熱電材料としてCoSbとを有する熱電素子が開示されている。特許文献2では、Siクラスレート化合物の焼結体である熱電素子が提案されている。そして、このような熱電素子の性能を評価するための指標の一つとして、無次元の性能指数ZT値が提示されている。このZT値を向上するために、種々の手法が検討されている。Various semiconductor materials have been studied as thermoelectric materials. For example, Patent Literature 1 discloses a thermoelectric element having CoSb 3 as a p-type semiconductor thermoelectric material and CoSb 2 as an n-type semiconductor thermoelectric material. Patent Document 2 proposes a thermoelectric element that is a sintered body of a Si clathrate compound. A dimensionless figure of merit ZT value is presented as one of the indexes for evaluating the performance of such thermoelectric elements. In order to improve the ZT value, various methods have been studied.

クラスレート化合物は、Si等のIV族元素で構成された8つのカゴ状ネットワークと、そのカゴの中に一つずつ内包されたI族又はII族の原子(ゲスト原子)で構成されている。このゲスト原子が低周波数の振動をすることでフォノンが散乱されるため、クラスレート化合物は、十分に低い熱伝導度を有する。このように低い熱伝導度を有することが、ZT値の向上に寄与している。   The clathrate compound is composed of eight cage networks composed of Group IV elements such as Si, and Group I or Group II atoms (guest atoms) encapsulated one by one in the cage. Since the guest atoms vibrate at a low frequency and phonons are scattered, the clathrate compound has a sufficiently low thermal conductivity. Such low thermal conductivity contributes to the improvement of the ZT value.

クラスレート化合物は、上述のとおり、十分に低い熱伝導度を有している。性能指数ZT値を向上させるための別のアプローチとして、比抵抗を低減することが挙げられる。ここで、一般に、焼結体などの多結晶体は多くの粒界を含んでいることから、比抵抗が大きくなる傾向にある。このため、特許文献3では、クラスレート化合物を単結晶として、性能指数ZTを大きくすることが提案されている。   As described above, the clathrate compound has a sufficiently low thermal conductivity. Another approach to improve the figure of merit ZT value is to reduce the resistivity. Here, in general, since a polycrystalline body such as a sintered body includes many grain boundaries, the specific resistance tends to increase. For this reason, Patent Document 3 proposes to increase the figure of merit ZT by using a clathrate compound as a single crystal.

特開2009−105101号公報JP 2009-105101 A 特開2006−57124号公報JP 2006-57124 A 特開2004−67425号公報JP 2004-67425 A

このように熱電材料のZT値を向上させるための手法が種々検討されているものの、熱電変換効率は、未だ改善の余地がある。また、熱電材料は、温度差に基づく起電力の相違を利用して発電を行うものであるが、熱電材料を用いて発電モジュールを組み立てた場合、熱伝導などによって温度差が小さくなり、発電量が低下してしまうことが懸念される。このため、温度差を維持するための冷却装置等が必要となり、モジュールが複雑化してしまう。   Although various methods for improving the ZT value of the thermoelectric material have been studied in this way, the thermoelectric conversion efficiency still has room for improvement. Thermoelectric materials generate power using the difference in electromotive force based on the temperature difference. When a power generation module is assembled using thermoelectric materials, the temperature difference decreases due to heat conduction, etc. There is a concern that it will decrease. For this reason, a cooling device or the like for maintaining the temperature difference is required, and the module becomes complicated.

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、各半導体部の間に温度差がなくても、発電をすることができる半導体単結晶を提供することを目的とする。また、このような半導体単結晶を用いることによって、効率よく発電することができる発電方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a semiconductor single crystal that can generate power even if there is no temperature difference between the semiconductor portions. Another object of the present invention is to provide a power generation method capable of generating power efficiently by using such a semiconductor single crystal.

本発明者らは、上記課題を解決するため、各半導体部の間に温度差がなくても発電をすることが可能な材料を種々検討した。その結果、半導体単結晶のバンドギャップを制御することによって、温度差がなくても発電できることを見出した。   In order to solve the above-described problems, the present inventors have studied various materials that can generate power even if there is no temperature difference between the semiconductor portions. As a result, it has been found that power can be generated even if there is no temperature difference by controlling the band gap of the semiconductor single crystal.

本発明は、一つの側面において、n型半導体部とp型半導体部とこれらの間に真性半導体部を有し、真性半導体部が、n型半導体部及びp型半導体部よりも小さいバンドギャップを有する半導体単結晶を提供する。   In one aspect, the present invention includes an n-type semiconductor portion, a p-type semiconductor portion, and an intrinsic semiconductor portion between them, and the intrinsic semiconductor portion has a smaller band gap than the n-type semiconductor portion and the p-type semiconductor portion. A semiconductor single crystal is provided.

上記半導体単結晶を所定の温度範囲に加熱すると、n型半導体部とp型半導体部との間に温度差がなくても、pn接合部にある真性半導体部においてのみ、価電子帯から伝導帯に電子が励起する。伝導帯に励起された電子は、エネルギーの低いn型半導体部に移動し、荷電子帯に生じたホールは、p型半導体部に移動する。これらの移動によって生じたキャリアの偏りによって、p型半導体部側を正極、n型半導体部側を負極とした発電材料となる。上記半導体単結晶は、このように所定の温度範囲に加熱することによって、n型半導体部とp型半導体部との間に温度差がなくても所定の温度範囲で発電をすることができる。   When the semiconductor single crystal is heated to a predetermined temperature range, even if there is no temperature difference between the n-type semiconductor portion and the p-type semiconductor portion, only in the intrinsic semiconductor portion at the pn junction portion, the conduction band from the valence band. Electrons are excited on the surface. The electrons excited in the conduction band move to the n-type semiconductor portion having low energy, and the holes generated in the valence band move to the p-type semiconductor portion. Due to the bias of the carriers caused by these movements, a power generation material is obtained in which the p-type semiconductor portion side is a positive electrode and the n-type semiconductor portion side is a negative electrode. By heating the semiconductor single crystal to a predetermined temperature range in this way, it is possible to generate power in the predetermined temperature range even if there is no temperature difference between the n-type semiconductor portion and the p-type semiconductor portion.

本発明の幾つかの実施形態における半導体単結晶では、単結晶を構成する元素のうち、少なくとも一種の元素の濃度が、p型半導体部、真性半導体部、及びn型半導体部の順に高くてもよい。また、半導体単結晶は、下記式(I)で表わされるクラスレート化合物を含んでいてもよい。半導体単結晶は、下記式(I)で表わされるクラスレート化合物であってもよい。
46−y (I)
In the semiconductor single crystal according to some embodiments of the present invention, the concentration of at least one of the elements constituting the single crystal may be higher in the order of the p-type semiconductor portion, the intrinsic semiconductor portion, and the n-type semiconductor portion. Good. The semiconductor single crystal may contain a clathrate compound represented by the following formula (I). The semiconductor single crystal may be a clathrate compound represented by the following formula (I).
A x B y C 46-y (I)

式(I)中、Aは、Ba,Na,Sr及びKからなる群から選ばれる少なくとも一種の元素を示し、Bは、Au,Ag,Cu,Ni及びAlからなる群から選ばれる少なくとも一種の元素を示し、Cは、Si,Ge及びSnからなる群から選ばれる少なくとも一種の元素を示す。xは7〜8であり、yは3.5〜6又は11〜17であり、y/xは、p型半導体部、真性半導体部、及びn型半導体部の順に高い。   In formula (I), A represents at least one element selected from the group consisting of Ba, Na, Sr and K, and B represents at least one element selected from the group consisting of Au, Ag, Cu, Ni and Al. Represents an element, and C represents at least one element selected from the group consisting of Si, Ge and Sn. x is 7 to 8, y is 3.5 to 6 or 11 to 17, and y / x is higher in the order of the p-type semiconductor part, the intrinsic semiconductor part, and the n-type semiconductor part.

上記半導体単結晶は、下記式(II)で表わされるクラスレート化合物を含んでいてもよい。上記半導体単結晶は、下記式(II)で表わされるクラスレート化合物であってもよい。
BaAuSi46−y (II)
式(II)中、xは7〜8であり、yは3.5〜6であり、y/xは、p型半導体部、真性半導体部、及びn型半導体部の順に高い。
The semiconductor single crystal may contain a clathrate compound represented by the following formula (II). The semiconductor single crystal may be a clathrate compound represented by the following formula (II).
Ba x Au y Si 46-y (II)
In formula (II), x is 7 to 8, y is 3.5 to 6, and y / x is higher in the order of the p-type semiconductor portion, the intrinsic semiconductor portion, and the n-type semiconductor portion.

上記半導体単結晶を構成する化合物を、式(I)又は式(II)で表されるクラスレート化合物とすることによって、n型半導体部とp型半導体部との間の電位差を一層大きくすることができる。その結果、発電量を一層大きくすることができる。   By making the compound constituting the semiconductor single crystal a clathrate compound represented by the formula (I) or the formula (II), the potential difference between the n-type semiconductor portion and the p-type semiconductor portion is further increased. Can do. As a result, the power generation amount can be further increased.

本発明は、別の側面において、n型半導体部又はp型半導体部からなる第1の半導体部を有し、第1の半導体部における一方の端部と他方の端部のバンドギャップが異なる半導体単結晶を提供する。   In another aspect, the present invention includes a first semiconductor portion made of an n-type semiconductor portion or a p-type semiconductor portion, and a semiconductor having different band gaps at one end and the other end of the first semiconductor portion. A single crystal is provided.

上記半導体単結晶を所定の温度範囲に加熱すると、第1の半導体部の一方の端部と他方の端部との間に温度差がなくても、両端部のどちらか一方においてのみ、価電子帯から伝導帯に電子を励起させることができる。例えば、一方の端部で伝導帯に励起された電子は、エネルギーの低い他方の端部に移動する。又は、荷電帯に生じたホールが、エネルギーの高い他方の端部に移動する。このいずれかの移動によって生じたキャリアの偏りによって、両端部の一方が正極、他方が負極である発電材料となる。この半導体単結晶は、このように所定の温度範囲に加熱することによって、両端部の間に温度差がなくても所定の温度範囲で発電をすることができる。   When the semiconductor single crystal is heated to a predetermined temperature range, even if there is no temperature difference between one end portion and the other end portion of the first semiconductor portion, the valence electrons are only in one of both end portions. Electrons can be excited from the band to the conduction band. For example, an electron excited in the conduction band at one end moves to the other end having low energy. Alternatively, a hole generated in the charged band moves to the other end portion having high energy. Due to the bias of the carrier caused by any of these movements, a power generation material in which one of both ends is a positive electrode and the other is a negative electrode. By heating the semiconductor single crystal to a predetermined temperature range in this way, it is possible to generate power within the predetermined temperature range even if there is no temperature difference between both ends.

上記半導体単結晶は、上記式(I)で表わされるクラスレート化合物を含んでもよい。但し、上記式(I)中、Aは、Ba,Na,Sr及びKからなる群から選ばれる少なくとも一種の元素を示し、Bは、Au,Ag,Cu,Ni及びAlからなる群から選ばれる少なくとも一種の元素を示し、Cは、Si,Ge及びSnからなる群から選ばれる少なくとも一種の元素を示す。第1の半導体部がn型半導体部からなる場合、xは7〜8であり、yは3.5〜5.5又は11〜16である。前記第1の半導体部がp型半導体部からなる場合、xは7〜8であり、yは5.3〜6又は16〜17である。y/xは、一方の端部と他方の端部において異なる。上記半導体単結晶は、上記式(II)で表わされるクラスレート化合物で含んでいてもよい。このとき、式(II)中のx、y及びy/xは、上述のとおりである。   The semiconductor single crystal may contain a clathrate compound represented by the formula (I). In the above formula (I), A represents at least one element selected from the group consisting of Ba, Na, Sr and K, and B is selected from the group consisting of Au, Ag, Cu, Ni and Al. It represents at least one element, and C represents at least one element selected from the group consisting of Si, Ge, and Sn. When the first semiconductor portion is an n-type semiconductor portion, x is 7 to 8, and y is 3.5 to 5.5 or 11 to 16. When the first semiconductor portion is a p-type semiconductor portion, x is 7 to 8, and y is 5.3 to 6 or 16 to 17. y / x is different at one end and the other end. The semiconductor single crystal may contain a clathrate compound represented by the formula (II). At this time, x, y, and y / x in the formula (II) are as described above.

上記半導体単結晶は、第1の半導体部に隣り合うように真性半導体部からなる第2の半導体部を有し、第2の半導体部が、第1の半導体部よりも小さいバンドギャップを有していてもよい。   The semiconductor single crystal has a second semiconductor portion made of an intrinsic semiconductor portion so as to be adjacent to the first semiconductor portion, and the second semiconductor portion has a smaller band gap than the first semiconductor portion. It may be.

上記半導体単結晶を所定の温度範囲に加熱すると、第1の半導体部と第2の半導体部との間に温度差がなくても、真性半導体部においてのみ、価電子帯から伝導帯に電子が励起する。第1の半導体部がn型半導体部からなる場合、伝導帯に励起された電子は、エネルギーの低いn型半導体部に移動する。この移動によって生じたキャリアの偏りによって、真性半導体部側を正極、n型半導体部側を負極とした発電材料となる。一方、第1の半導体部がp型半導体部からなる場合、第2の半導体部において、荷電帯に生じたホールは、p型半導体部に移動する。この移動によって生じたキャリアの偏りによって、p型半導体部側を正極、真正半導体部側を負極とした発電材料となる。この半導体単結晶は、このように所定の温度範囲に加熱することによって、第1の半導体部と第2の半導体部との間に温度差がなくても所定の温度範囲で発電をすることができる。   When the semiconductor single crystal is heated to a predetermined temperature range, electrons are transferred from the valence band to the conduction band only in the intrinsic semiconductor portion, even if there is no temperature difference between the first semiconductor portion and the second semiconductor portion. Excited. When the first semiconductor part is an n-type semiconductor part, the electrons excited in the conduction band move to the n-type semiconductor part having low energy. Due to the bias of the carrier caused by this movement, a power generation material having the intrinsic semiconductor portion side as the positive electrode and the n-type semiconductor portion side as the negative electrode is obtained. On the other hand, when the first semiconductor portion is a p-type semiconductor portion, holes generated in the charge band in the second semiconductor portion move to the p-type semiconductor portion. Due to the deviation of the carriers caused by this movement, a power generation material is obtained in which the p-type semiconductor portion side is a positive electrode and the genuine semiconductor portion side is a negative electrode. By heating the semiconductor single crystal to a predetermined temperature range in this way, power can be generated within the predetermined temperature range even if there is no temperature difference between the first semiconductor portion and the second semiconductor portion. it can.

上記半導体単結晶における第1の半導体部及び第2の半導体部は、上記式(I)で表わされるクラスレート化合物を含んでいてもよい。但し、第1の半導体部がn型半導体部からなる場合、xは7〜8であり、yは3.5〜5.5又は11〜16である。第1の半導体部がn型半導体部からなる場合、xは7〜8、yは3.5〜5.5又は11〜16であり、y/xは真性半導体部の方がn型半導体部よりも高い。第1の半導体部がp型半導体部からなる場合、xは7〜8、yは5.3〜6又は16〜17であり、y/xはp型半導体部の方が真性半導体部よりも高い。   The first semiconductor portion and the second semiconductor portion in the semiconductor single crystal may contain a clathrate compound represented by the above formula (I). However, when the 1st semiconductor part consists of an n-type semiconductor part, x is 7-8 and y is 3.5-5.5 or 11-16. When the first semiconductor portion is an n-type semiconductor portion, x is 7 to 8, y is 3.5 to 5.5, or 11 to 16, and y / x is the n-type semiconductor portion of the intrinsic semiconductor portion. Higher than. When the first semiconductor portion is a p-type semiconductor portion, x is 7 to 8, y is 5.3 to 6 or 16 to 17, and y / x is the p-type semiconductor portion than the intrinsic semiconductor portion. high.

上記半導体単結晶における第1の半導体部及び第2の半導体部は、上記式(II)で表わされるクラスレート化合物で含んでいてもよい。式(II)中、第1の半導体部がn型半導体部からなる場合、xは7〜8であり、yは3.5〜5.5又は11〜16である。第2の半導体部を有する場合、y/xは、真性半導体部の方がn型半導体部よりも高い。第1の半導体部がp型半導体部からなる場合、xは7〜8であり、yは5.3〜6又は16〜17である。第2の半導体部を有する場合、y/xはp型半導体部の方が真性半導体部よりも高い。   The first semiconductor portion and the second semiconductor portion in the semiconductor single crystal may include a clathrate compound represented by the above formula (II). In Formula (II), when a 1st semiconductor part consists of an n-type semiconductor part, x is 7-8 and y is 3.5-5.5 or 11-16. When the second semiconductor portion is included, y / x is higher in the intrinsic semiconductor portion than in the n-type semiconductor portion. When the first semiconductor portion is a p-type semiconductor portion, x is 7 to 8, and y is 5.3 to 6 or 16 to 17. When the second semiconductor portion is included, y / x is higher in the p-type semiconductor portion than in the intrinsic semiconductor portion.

本発明の幾つかの実施形態において、半導体単結晶は、400℃において、両端部の間の電位差の絶対値を0.3mV以上にすることができる。   In some embodiments of the present invention, the semiconductor single crystal can have an absolute value of a potential difference between both ends at 400 ° C. of 0.3 mV or more.

本発明は、さらに別の側面において、n型半導体部とp型半導体部とこれらの間に真性半導体部とを有する半導体単結晶であって、下記式(I)で表わされるクラスレート化合物を含む半導体単結晶を提供する。半導体単結晶は、下記式(I)で表わされるクラスレート化合物であってもよい。
46−y (I)
In still another aspect, the present invention provides a semiconductor single crystal having an n-type semiconductor portion, a p-type semiconductor portion, and an intrinsic semiconductor portion therebetween, and includes a clathrate compound represented by the following formula (I): A semiconductor single crystal is provided. The semiconductor single crystal may be a clathrate compound represented by the following formula (I).
A x B y C 46-y (I)

式(I)中、Aは、Ba,Na,Sr及びKからなる群から選ばれる少なくとも一種の元素を示し、Bは、Au,Ag,Cu,Ni及びAlからなる群から選ばれる少なくとも一種の元素を示し、Cは、Si,Ge及びSnからなる群から選ばれる少なくとも一種の元素を示す。xは7〜8であり、yは3.5〜6又は11〜17の値であり、y/xは、p型半導体部、真性半導体部、及びn型半導体部の順に高い。   In formula (I), A represents at least one element selected from the group consisting of Ba, Na, Sr and K, and B represents at least one element selected from the group consisting of Au, Ag, Cu, Ni and Al. Represents an element, and C represents at least one element selected from the group consisting of Si, Ge and Sn. x is 7 to 8, y is a value of 3.5 to 6 or 11 to 17, and y / x is higher in the order of the p-type semiconductor part, the intrinsic semiconductor part, and the n-type semiconductor part.

すなわち、上記半導体単結晶は、y/xがp型半導体部、真性半導体部、及びn型半導体部の順に高い組成を有している。このような半導体単結晶は、p型半導体部とn型半導体部との間に温度差がなくても、所定の温度範囲で発電をすることができる。   That is, the semiconductor single crystal has a composition in which y / x is higher in the order of the p-type semiconductor portion, the intrinsic semiconductor portion, and the n-type semiconductor portion. Such a semiconductor single crystal can generate power in a predetermined temperature range even if there is no temperature difference between the p-type semiconductor portion and the n-type semiconductor portion.

この理由は必ずしも明らかではないが、本発明者らは、pn接合部における真性半導体部のバンドギャップが、p型半導体部及びn型半導体部のバンドギャップよりも小さくなっていることが一因であると考えている。すなわち、本発明の半導体単結晶は、所定の温度範囲に加熱すると、所定の温度範囲でn型半導体部とp型半導体部との間に温度差がなくても、バンドギャップが小さいpn接合部の真性半導体部においてのみ、価電子帯から伝導帯に電子が容易に励起する。   Although the reason for this is not necessarily clear, the present inventors are due to the fact that the band gap of the intrinsic semiconductor portion at the pn junction is smaller than the band gap of the p-type semiconductor portion and the n-type semiconductor portion. I think there is. That is, when the semiconductor single crystal of the present invention is heated to a predetermined temperature range, a pn junction portion having a small band gap even if there is no temperature difference between the n-type semiconductor portion and the p-type semiconductor portion within the predetermined temperature range. Only in the intrinsic semiconductor part, electrons are easily excited from the valence band to the conduction band.

真性半導体部で伝導帯に励起された電子は、エネルギーの低いn型半導体部に移動する。一方、真性半導体部で荷電子帯に生じたホールは、p型半導体部に移動する。これらの移動によって生じたキャリアの偏りによって、半導体単結晶はp型半導体側を正極、n型半導体側を負極とした発電材料となる。このようなメカニズムによって、上記半導体単結晶は、p型半導体部とn型半導体部との温度差がなくても、所定の温度範囲で発電をすることができるものと考えている。   Electrons excited to the conduction band in the intrinsic semiconductor portion move to the n-type semiconductor portion having low energy. On the other hand, holes generated in the valence band in the intrinsic semiconductor portion move to the p-type semiconductor portion. Due to the bias of carriers generated by these movements, the semiconductor single crystal becomes a power generation material with the p-type semiconductor side as the positive electrode and the n-type semiconductor side as the negative electrode. With such a mechanism, it is considered that the semiconductor single crystal can generate power in a predetermined temperature range even if there is no temperature difference between the p-type semiconductor portion and the n-type semiconductor portion.

本発明は、さらに別の側面において、n型半導体部又はp型半導体部からなる第1の半導体部を有し、上記式(I)で表わされるクラスレート化合物を含む半導体単結晶を提供する。   In still another aspect, the present invention provides a semiconductor single crystal having a first semiconductor part composed of an n-type semiconductor part or a p-type semiconductor part and containing a clathrate compound represented by the above formula (I).

式(I)中、第1の半導体部がn型半導体からなる場合、xは7〜8であり、yは3.5〜5.5又は11〜16である。第1の半導体部がp型半導体からなる場合、xは7〜8であり、yは5.3〜6又は16〜17である。y/xは、前記半導体単結晶の一方の端部と他方の端部において異なる。   In Formula (I), when a 1st semiconductor part consists of an n-type semiconductor, x is 7-8 and y is 3.5-5.5 or 11-16. When the first semiconductor portion is made of a p-type semiconductor, x is 7 to 8, and y is 5.3 to 6 or 16 to 17. y / x is different between one end and the other end of the semiconductor single crystal.

上記半導体単結晶は、一方の端部と他方の端部との間に温度差がなくても、所定の温度範囲で発電をすることができる。この理由としては、一方の端部のバンドギャップが、他方の端部のバンドギャップよりも小さいか、又は大きいことが一因であると考えられる。すなわち、上記半導体単結晶は、所定の温度範囲に加熱すると、一方の端部と他方の端部との間に温度差がなくても、バンドギャップが小さい方の端部においてのみ価電子帯から伝導帯に電子が容易に励起する。   The semiconductor single crystal can generate power in a predetermined temperature range even if there is no temperature difference between one end and the other end. One reason for this is considered to be that the band gap at one end is smaller or larger than the band gap at the other end. That is, when the semiconductor single crystal is heated to a predetermined temperature range, even if there is no temperature difference between one end portion and the other end portion, only the end portion with the smaller bandgap is from the valence band. Electrons are easily excited in the conduction band.

一方の端部において、伝導帯に励起された電子、及び荷電子帯に生じたホールのどちらか一方は、他方の端部に移動する。これによって、端部間に電位差が生じる。このようなメカニズムによって、上記半導体単結晶は、端部間に温度差がなくても、所定の温度範囲で発電をすることができるものと考えられる。   At one end, either the electrons excited in the conduction band or the holes generated in the valence band move to the other end. This creates a potential difference between the ends. By such a mechanism, it is considered that the semiconductor single crystal can generate power in a predetermined temperature range even if there is no temperature difference between the end portions.

上記半導体単結晶は、第1の半導体部に隣り合うように真性半導体部からなる第2の半導体部を有し、前記真性半導体部が上記式(I)で表わされるクラスレート化合物を含んでいてもよい。第1の半導体部がn型半導体部からなる場合、y/xは真性半導体部の方がn型半導体部よりも高い。第1の半導体部がp型半導体部からなる場合、y/xはp型半導体部の方が真性半導体部よりも高い。   The semiconductor single crystal has a second semiconductor portion made of an intrinsic semiconductor portion so as to be adjacent to the first semiconductor portion, and the intrinsic semiconductor portion contains a clathrate compound represented by the above formula (I). Also good. When the first semiconductor portion is an n-type semiconductor portion, y / x is higher in the intrinsic semiconductor portion than in the n-type semiconductor portion. When the first semiconductor part is a p-type semiconductor part, y / x is higher in the p-type semiconductor part than in the intrinsic semiconductor part.

上記半導体単結晶は、第1の半導体部と第2の半導体部との間に温度差がなくても、所定の温度範囲で発電をすることができる。この理由も必ずしも明らかではないが、本発明者らは、第2の半導体部のバンドギャップが、第1の半導体部のバンドギャップよりも小さくなっていることが一因であると考えている。すなわち、上記半導体単結晶は、所定の温度範囲に加熱すると、第1の半導体部と第2の半導体部との間に温度差がなくても、バンドギャップが小さい真性半導体部からなる第2の半導体部においてのみ、価電子帯から伝導帯に電子が容易に励起する。   The semiconductor single crystal can generate power in a predetermined temperature range even if there is no temperature difference between the first semiconductor portion and the second semiconductor portion. The reason for this is not necessarily clear, but the present inventors believe that one reason is that the band gap of the second semiconductor portion is smaller than the band gap of the first semiconductor portion. That is, when the semiconductor single crystal is heated to a predetermined temperature range, even if there is no temperature difference between the first semiconductor portion and the second semiconductor portion, the second crystal composed of an intrinsic semiconductor portion having a small band gap. Only in the semiconductor part, electrons are easily excited from the valence band to the conduction band.

第1の半導体部がn型半導体部である場合、真性半導体部からなる第2の半導体部で伝導帯に励起された電子は、エネルギーの低いn型半導体部に移動する。この移動によって生じたキャリアの偏りによって、半導体単結晶は真性半導体部側を正極、n型半導体側を負極とした発電材料となる。一方、第1の半導体部がp型半導体部である場合、真性半導体部からなる第2の半導体部で荷電子帯に生じたホールは、p型半導体部に移動する。このようなメカニズムによって、上記半導体単結晶は、第1の半導体部と第2の半導体部との温度差がなくても、所定の温度範囲で発電をすることができるものと考えている。   When the first semiconductor portion is an n-type semiconductor portion, the electrons excited to the conduction band in the second semiconductor portion made of the intrinsic semiconductor portion move to the n-type semiconductor portion having low energy. The semiconductor single crystal becomes a power generation material with the intrinsic semiconductor portion side as the positive electrode and the n-type semiconductor side as the negative electrode due to the carrier deviation caused by this movement. On the other hand, when the first semiconductor portion is a p-type semiconductor portion, holes generated in the valence band in the second semiconductor portion made of the intrinsic semiconductor portion move to the p-type semiconductor portion. With such a mechanism, it is considered that the semiconductor single crystal can generate power in a predetermined temperature range even if there is no temperature difference between the first semiconductor portion and the second semiconductor portion.

本発明の幾つかの実施形態において、クラスレート化合物は式(II)で表される化合物であってもよい。式(II)中、xは7〜8であり、yは3.5〜6である。
BaAuSi46−y (II)
In some embodiments of the present invention, the clathrate compound may be a compound represented by formula (II). In formula (II), x is 7-8 and y is 3.5-6.
Ba x Au y Si 46-y (II)

半導体単結晶を構成する化合物を、式(II)で表されるクラスレート化合物とすることによって、n型半導体部とp型半導体部との間の電位差を一層大きくすることができる。その結果、発電量を一層大きくすることができる。本発明の幾つかの実施形態において、半導体単結晶は、400℃において、両端部の間の電位差の絶対値を0.3mV以上にすることができる。   By making the compound constituting the semiconductor single crystal a clathrate compound represented by the formula (II), the potential difference between the n-type semiconductor portion and the p-type semiconductor portion can be further increased. As a result, the power generation amount can be further increased. In some embodiments of the present invention, the semiconductor single crystal can have an absolute value of a potential difference between both ends at 400 ° C. of 0.3 mV or more.

本発明は、さらに別の側面において、上述の半導体単結晶を加熱して発電する発電方法を提供する。この発電方法では、上述の特徴を有する半導体単結晶を用いていることから、温度差がなくても、所定の温度範囲で効率よく発電をすることができる。   In still another aspect, the present invention provides a power generation method for generating power by heating the semiconductor single crystal described above. In this power generation method, since the semiconductor single crystal having the above-described characteristics is used, even if there is no temperature difference, it is possible to efficiently generate power within a predetermined temperature range.

本発明によれば、各半導体部に間に温度差がなくても、発電をすることが可能な半導体単結晶を提供することができる。また、このような半導体単結晶を用いることによって、効率よく発電することが可能な発電方法を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, even if there is no temperature difference between each semiconductor part, the semiconductor single crystal which can generate electric power can be provided. In addition, by using such a semiconductor single crystal, it is possible to provide a power generation method capable of generating power efficiently.

図1は、本発明の一実施形態に係る半導体単結晶の構成を模式的に示す図である。FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of a semiconductor single crystal according to an embodiment of the present invention. 図2(A)は、本発明の一実施形態に係る半導体単結晶を、所定の温度に加熱したときの熱励起の状態を示す概念図である。図2(B)は、本発明の一実施形態に係る半導体単結晶を、所定の温度に加熱したときの電子及び正孔の移動を示す概念図である。FIG. 2A is a conceptual diagram showing a state of thermal excitation when the semiconductor single crystal according to one embodiment of the present invention is heated to a predetermined temperature. FIG. 2B is a conceptual diagram showing movement of electrons and holes when the semiconductor single crystal according to one embodiment of the present invention is heated to a predetermined temperature. 図3(A)は、BaAuSi46−yのクラスレート化合物において、y=4の場合のバンドエネルギーを示す図である。図3(B)は、BaAuSi46−yのクラスレート化合物において、y=5の場合のバンドエネルギーを示す図である。図3(C)は、BaAuSi46−yのクラスレート化合物において、y=6の場合のバンドエネルギーを示す図である。FIG. 3A is a diagram showing band energy when y = 4 in a clathrate compound of Ba 8 Au y Si 46-y . FIG. 3B is a diagram showing band energy when y = 5 in a clathrate compound of Ba 8 Au y Si 46-y . FIG. 3C is a diagram showing band energy when y = 6 in the clathrate compound of Ba 8 Au y Si 46-y . 図4(A)は、BaAlSi46−yのクラスレート化合物において、y=14の場合のバンドエネルギーを示す図である。図4(B)は、BaAlSi46−yのクラスレート化合物において、y=15の場合のバンドエネルギーを示す図である。図4(C)は、BaAlSi46−yのクラスレート化合物において、y=16の場合のバンドエネルギーを示す図である。FIG. 4A is a diagram showing band energy when y = 14 in a clathrate compound of Ba 8 Al y Si 46-y . FIG. 4B is a diagram showing band energy when y = 15 in the clathrate compound of Ba 8 Al y Si 46-y . FIG. 4C is a diagram showing band energy when y = 16 in the clathrate compound of Ba 8 Al y Si 46-y . 図5(A)は、BaCuSi46−yのクラスレート化合物において、y=4の場合のバンドエネルギーを示す図である。図5(B)は、BaCuSi46−yのクラスレート化合物において、y5の場合のバンドエネルギーを示す図である。図5(C)は、BaCuSi46−yのクラスレート化合物において、y=6の場合のバンドエネルギーを示す図である。FIG. 5A is a diagram showing band energy when y = 4 in a clathrate compound of Ba 8 Cu y Si 46-y . FIG. 5B is a diagram showing band energy in the case of y5 in a clathrate compound of Ba 8 Cu y Si 46-y . FIG. 5C is a diagram showing band energy when y = 6 in the clathrate compound of Ba 8 Cu y Si 46-y . 図6は、本発明の別の実施形態に係る半導体単結晶の構成を模式的に示す図である。FIG. 6 is a diagram schematically showing a configuration of a semiconductor single crystal according to another embodiment of the present invention. 図7(A)は、本発明の別の実施形態に係る半導体単結晶を、所定の温度に加熱したときの熱励起の状態を示す概念図である。図7(B)は、本発明の別の実施形態に係る半導体単結晶を、所定の温度に加熱したときの電子の移動を示す概念図である。FIG. 7A is a conceptual diagram showing a state of thermal excitation when a semiconductor single crystal according to another embodiment of the present invention is heated to a predetermined temperature. FIG. 7B is a conceptual diagram showing the movement of electrons when a semiconductor single crystal according to another embodiment of the present invention is heated to a predetermined temperature. 図8は、本発明のさらに別の実施形態に係る半導体単結晶の構成を模式的に示す図である。FIG. 8 is a diagram schematically showing a configuration of a semiconductor single crystal according to still another embodiment of the present invention. 図9(A)は、本発明のさらに別の実施形態に係る半導体単結晶を、所定の温度に加熱したときの熱励起の状態を示す概念図である。図9(B)は、本発明のさらに別の実施形態に係る半導体単結晶を、所定の温度に加熱したときの正孔の移動を示す概念図である。FIG. 9A is a conceptual diagram showing a state of thermal excitation when a semiconductor single crystal according to still another embodiment of the present invention is heated to a predetermined temperature. FIG. 9B is a conceptual diagram showing movement of holes when a semiconductor single crystal according to still another embodiment of the present invention is heated to a predetermined temperature. 図10は、本発明のさらに別の実施形態に係る半導体単結晶の構成を模式的に示す図である。FIG. 10 is a diagram schematically showing a configuration of a semiconductor single crystal according to still another embodiment of the present invention. 図11(A)は、本発明のさらに別の実施形態に係る半導体単結晶を、所定の温度に加熱したときの熱励起の状態を示す概念図である。図11(B)は、本発明のさらに別の実施形態に係る半導体単結晶を、所定の温度に加熱したときの電子の移動を示す概念図である。FIG. 11A is a conceptual diagram showing a state of thermal excitation when a semiconductor single crystal according to still another embodiment of the present invention is heated to a predetermined temperature. FIG. 11B is a conceptual diagram showing electron movement when a semiconductor single crystal according to still another embodiment of the present invention is heated to a predetermined temperature. 図12(A)は、本発明のさらに別の実施形態に係る半導体単結晶を、所定の温度に加熱したときの熱励起の状態を示す概念図である。図12(B)は、本発明のさらに別の実施形態に係る半導体単結晶を、所定の温度に加熱したときの電子の移動を示す概念図である。FIG. 12A is a conceptual diagram showing a state of thermal excitation when a semiconductor single crystal according to still another embodiment of the present invention is heated to a predetermined temperature. FIG. 12B is a conceptual diagram showing electron movement when a semiconductor single crystal according to still another embodiment of the present invention is heated to a predetermined temperature. 図13は、実施例1の半導体単結晶の光学顕微鏡写真である。FIG. 13 is an optical micrograph of the semiconductor single crystal of Example 1. 図14(A)は、実施例1の半導体単結晶のX線回折の測定結果を示す図である。図14(B)は、X線回折のシミュレーション結果を示す図である。FIG. 14A is a diagram showing a measurement result of X-ray diffraction of the semiconductor single crystal of Example 1. FIG. FIG. 14B is a diagram showing a simulation result of X-ray diffraction. 図15は、実施例1の半導体単結晶を切断して得られたサンプルのゼーベック係数の測定結果を示すグラフである。FIG. 15 is a graph showing the measurement results of the Seebeck coefficient of a sample obtained by cutting the semiconductor single crystal of Example 1. 図16は、実施例1の半導体単結晶を切断して得られたサンプルの起電力の測定結果を示すグラフである。FIG. 16 is a graph showing a measurement result of electromotive force of a sample obtained by cutting the semiconductor single crystal of Example 1. 図17は、実施例1の半導体単結晶を切断して得られたサンプルの起電力の測定結果を示すグラフである。FIG. 17 is a graph showing measurement results of electromotive force of a sample obtained by cutting the semiconductor single crystal of Example 1. 図18は、実施例2の半導体単結晶の光学顕微鏡写真である。FIG. 18 is an optical micrograph of the semiconductor single crystal of Example 2. 図19(A)は、実施例2の半導体単結晶のX線回折の測定結果を示す図であり、図19(B)は、X線回折のシミュレーション結果を示す図である。FIG. 19A is a diagram illustrating a measurement result of X-ray diffraction of the semiconductor single crystal of Example 2, and FIG. 19B is a diagram illustrating a simulation result of X-ray diffraction. 図20は、実施例2の半導体単結晶を切断して得られたサンプルのゼーベック係数の測定結果を示すグラフである。FIG. 20 is a graph showing the measurement results of the Seebeck coefficient of a sample obtained by cutting the semiconductor single crystal of Example 2. 図21は、実施例2の半導体単結晶を切断して得られたサンプルのゼーベック係数の測定結果を示すグラフである。FIG. 21 is a graph showing the measurement results of the Seebeck coefficient of a sample obtained by cutting the semiconductor single crystal of Example 2. 図22は、実施例2の半導体単結晶を切断して得られたサンプルの起電力の測定結果を示すグラフである。FIG. 22 is a graph showing measurement results of electromotive force of a sample obtained by cutting the semiconductor single crystal of Example 2. 図23は、実施例3の半導体単結晶の光学顕微鏡写真である。FIG. 23 is an optical micrograph of the semiconductor single crystal of Example 3. 図24は、実施例3の半導体単結晶を切断して得られたサンプルのゼーベック係数の測定結果を示すグラフである。FIG. 24 is a graph showing measurement results of Seebeck coefficient of a sample obtained by cutting the semiconductor single crystal of Example 3. 図25は、実施例3の半導体単結晶を切断して得られたサンプルの起電力の測定方法を示す模式図である。FIG. 25 is a schematic diagram showing a method for measuring an electromotive force of a sample obtained by cutting the semiconductor single crystal of Example 3. 図26は、実施例3の半導体単結晶を切断して得られたサンプルの起電力の測定結果を示すグラフである。FIG. 26 is a graph showing measurement results of electromotive force of a sample obtained by cutting the semiconductor single crystal of Example 3. 図27は、実施例4の半導体単結晶の光学顕微鏡写真である。FIG. 27 is an optical micrograph of the semiconductor single crystal of Example 4. 図28は、実施例4の半導体単結晶を切断して得られたサンプルのゼーベック係数の測定結果を示すグラフである。FIG. 28 is a graph showing the measurement results of Seebeck coefficient of a sample obtained by cutting the semiconductor single crystal of Example 4. 図29は、実施例4の半導体単結晶を切断して得られたサンプルの起電力の測定結果を示すグラフである。FIG. 29 is a graph showing measurement results of electromotive force of a sample obtained by cutting the semiconductor single crystal of Example 4.

本発明の好適な実施形態を、図面を参照しながら以下に詳細に説明する。ただし、本発明は、以下の実施形態に何ら限定されるものではない。なお、図面において同一又は同等の要素には同一の符号を付し、場合により重複する説明は省略する。   Preferred embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following embodiments. In the drawings, the same or equivalent elements are denoted by the same reference numerals, and redundant descriptions are omitted in some cases.

図1は、本実施形態の半導体単結晶の構成を模式的に示す図である。半導体単結晶の形状は特に限定されず、例えば柱状であってもよい。図1に示すように、半導体単結晶10が柱状又は板状である場合、半導体単結晶10の上部側にn型半導体部12を有し、下部側にp型半導体部14を有する構成とすることができる。半導体単結晶10は、n型半導体部12とp型半導体部14との間のpn接合部に真性半導体部16を有する。   FIG. 1 is a diagram schematically showing the configuration of the semiconductor single crystal of the present embodiment. The shape of the semiconductor single crystal is not particularly limited, and may be, for example, a columnar shape. As shown in FIG. 1, when the semiconductor single crystal 10 is columnar or plate-shaped, the semiconductor single crystal 10 has an n-type semiconductor portion 12 on the upper side and a p-type semiconductor portion 14 on the lower side. be able to. The semiconductor single crystal 10 has an intrinsic semiconductor portion 16 at a pn junction between the n-type semiconductor portion 12 and the p-type semiconductor portion 14.

このような半導体単結晶10は、n型半導体部12からp型半導体部14に向かって所定の元素の濃度が変化している。このような元素の濃度勾配が、以下に説明するような、半導体単結晶10のバンドギャップの分布に寄与している。   In such a semiconductor single crystal 10, the concentration of a predetermined element changes from the n-type semiconductor portion 12 toward the p-type semiconductor portion 14. Such a concentration gradient of elements contributes to the band gap distribution of the semiconductor single crystal 10 as described below.

図2(A)及び(B)は、本実施形態の半導体単結晶のバンドギャップの状態を示す概念図である。図2(A)及び(B)の縦軸は電子のエネルギーであり、横軸は半導体単結晶のn型半導体部12側の端部からの距離である。図2(A)及び(B)に示すとおり、真性半導体部16におけるバンドギャップは、n型半導体部12及びp型半導体部14におけるバンドギャップよりも小さくなっている。なお、n型半導体部12は、フェルミレベルfが伝導帯側にある部分であり、p型半導体部14は、フェルミレベルfが価電子帯側にある部分である。真性半導体部16は、フェルミレベルfが、伝導帯と価電子帯との間の禁止帯の中央にある部分である。   2A and 2B are conceptual diagrams showing the band gap state of the semiconductor single crystal of the present embodiment. 2A and 2B, the vertical axis represents the energy of electrons, and the horizontal axis represents the distance from the end of the semiconductor single crystal on the n-type semiconductor portion 12 side. As shown in FIGS. 2A and 2B, the band gap in the intrinsic semiconductor portion 16 is smaller than the band gap in the n-type semiconductor portion 12 and the p-type semiconductor portion 14. The n-type semiconductor part 12 is a part where the Fermi level f is on the conduction band side, and the p-type semiconductor part 14 is a part where the Fermi level f is on the valence band side. The intrinsic semiconductor portion 16 is a portion where the Fermi level f is at the center of the forbidden band between the conduction band and the valence band.

図2(A)は、半導体単結晶10を所定の温度に加熱したときの熱励起の状態を示す概念図である。図2(A)に示すように、半導体単結晶10を所定の温度に加熱すると、価電子帯の電子が伝導帯に熱励起する。このとき、バンドギャップが相対的に小さいpn接合部の真性半導体部16のみで伝導帯に電子が熱励起される。一方、バンドギャップが真性半導体部16よりも大きいp型半導体部14及びn型半導体部12では、電子が熱励起されない。   FIG. 2A is a conceptual diagram showing a state of thermal excitation when the semiconductor single crystal 10 is heated to a predetermined temperature. As shown in FIG. 2A, when the semiconductor single crystal 10 is heated to a predetermined temperature, electrons in the valence band are thermally excited to the conduction band. At this time, electrons are thermally excited in the conduction band only by the intrinsic semiconductor portion 16 of the pn junction having a relatively small band gap. On the other hand, electrons are not thermally excited in the p-type semiconductor unit 14 and the n-type semiconductor unit 12 whose band gap is larger than that of the intrinsic semiconductor unit 16.

図2(B)は、半導体単結晶10を所定の温度に加熱したときの電子(黒丸)及び正孔(白丸)の移動を示す概念図である。図2(B)に示すように、伝導帯に励起した電子は、エネルギーの低い方、すなわちn型半導体部12側に移動する。一方、電子の励起により価電子帯側に生じたホールはエネルギーの低いp型半導体部14側へと移動する。これによって、n型半導体部12が負に帯電し、p型半導体部14が正に帯電するため、起電力が生じる。このようにして、半導体単結晶10は、n型半導体部12とp型半導体部14との間に温度差がなくても、発電することができる。このような起電力発生のメカニズムは、温度差に基づいて起電力を生じるゼーベック効果とは異なる。   FIG. 2B is a conceptual diagram showing movement of electrons (black circles) and holes (white circles) when the semiconductor single crystal 10 is heated to a predetermined temperature. As shown in FIG. 2B, the electrons excited in the conduction band move to the lower energy side, that is, the n-type semiconductor portion 12 side. On the other hand, holes generated on the valence band side due to excitation of electrons move to the p-type semiconductor portion 14 side having low energy. As a result, the n-type semiconductor portion 12 is negatively charged and the p-type semiconductor portion 14 is positively charged, so that an electromotive force is generated. In this way, the semiconductor single crystal 10 can generate power even if there is no temperature difference between the n-type semiconductor portion 12 and the p-type semiconductor portion 14. Such an electromotive force generation mechanism is different from the Seebeck effect that generates an electromotive force based on a temperature difference.

本実施形態の半導体単結晶10は、温度差がなくても発電できることから、モジュール化した場合にも、冷却又は加熱等の温度制御のための設備をなくしたり、簡素化したりすることができる。したがって、半導体単結晶10は、熱電変換用、又は排熱回収用の発電材料として好適に使用することができる。例えば、発電モジュールにして、内燃機関を有する自動車及び航空機などの輸送機器、装置、並びにプラント等に設置することができる。   Since the semiconductor single crystal 10 of the present embodiment can generate power even if there is no temperature difference, equipment for temperature control such as cooling or heating can be eliminated or simplified even when modularized. Therefore, the semiconductor single crystal 10 can be suitably used as a power generation material for thermoelectric conversion or exhaust heat recovery. For example, as a power generation module, it can be installed in transportation equipment, devices such as automobiles and airplanes having an internal combustion engine, plants, and the like.

n型半導体部12及びp型半導体部14におけるバンドギャップの幅(エネルギーギャップ)に対する、真性半導体部16のバンドギャップの幅(エネルギーギャップ)の比は、特に制限はないが、小さい方が好ましい。例えば、上記比は、0.8以下であってもよく、0.1〜0.7であってもよい。この比が小さいほど、発電できる温度領域を十分に広くすることができる。   The ratio of the band gap width (energy gap) of the intrinsic semiconductor portion 16 to the band gap width (energy gap) in the n-type semiconductor portion 12 and the p-type semiconductor portion 14 is not particularly limited, but is preferably smaller. For example, the ratio may be 0.8 or less, or 0.1 to 0.7. The smaller this ratio, the wider the temperature range in which power can be generated.

真性半導体部16のエネルギーギャップは、例えば、0.4eV以下であってもよく、0.05〜0.3eVであってもよい。n型半導体部12、p型半導体部14及び真性半導体部16におけるエネルギーギャップは、例えば逆光電子分光法などによって測定することができる。   The energy gap of the intrinsic semiconductor part 16 may be 0.4 eV or less, for example, and may be 0.05 to 0.3 eV. The energy gap in the n-type semiconductor unit 12, the p-type semiconductor unit 14, and the intrinsic semiconductor unit 16 can be measured by, for example, inverse photoelectron spectroscopy.

半導体単結晶10を構成する材料としては、構成元素としてA,B,Cを有する、下記式(I)で表わされるクラスレート化合物であってもよい。
46−y (I)
The material constituting the semiconductor single crystal 10 may be a clathrate compound represented by the following formula (I) having A, B, and C as constituent elements.
A x B y C 46-y (I)

式(I)中、Aは、Ba,Na,Sr及びKからなる群から選ばれる少なくとも一種の元素を示し、Bは、Au,Ag,Cu,Ni及びAlからなる群から選ばれる少なくとも一種の元素を示し、Cは、Si,Ge及びSnからなる群から選ばれる少なくとも一種の元素を示す。xは7〜8、及びyは3.5〜6又は11〜17である。   In formula (I), A represents at least one element selected from the group consisting of Ba, Na, Sr and K, and B represents at least one element selected from the group consisting of Au, Ag, Cu, Ni and Al. Represents an element, and C represents at least one element selected from the group consisting of Si, Ge and Sn. x is 7-8, and y is 3.5-6 or 11-17.

クラスレート化合物において、A元素は1価又は2価のドナーとして機能し、B元素は3価又は1価のアクセプタとして機能する。半導体単結晶10において、クラスレート化合物におけるB元素のモル比を示すyは、図1の矢印α方向に沿って増加している。一方、A元素のモル比を示すxは、半導体単結晶10においてほぼ均一に分布していてもよいし、図1の矢印α方向に沿って減少していてもよい。すなわち、半導体単結晶10では、y/xの値が、図1の上端から下端に向かう矢印α方向に沿って概ね増加している。したがって、下部の方がA元素に対するB元素のモル比(y/x)が高くなっている。これによって、上部はn型半導体部12となり、下部はp型半導体部14となっている。なお、y/xの値は、n型半導体部12、真性半導体部16、及びp型半導体部14の順に高くなる。すなわち、y/xの値は、n型半導体部12で最も低く、p型半導体部14で最も高い。   In the clathrate compound, the A element functions as a monovalent or divalent donor, and the B element functions as a trivalent or monovalent acceptor. In the semiconductor single crystal 10, y indicating the molar ratio of the B element in the clathrate compound increases along the arrow α direction in FIG. On the other hand, x indicating the molar ratio of the A element may be distributed substantially uniformly in the semiconductor single crystal 10 or may decrease along the direction of the arrow α in FIG. That is, in the semiconductor single crystal 10, the value of y / x generally increases along the arrow α direction from the upper end to the lower end in FIG. Therefore, the lower portion has a higher molar ratio (y / x) of the B element to the A element. Thus, the upper portion becomes the n-type semiconductor portion 12 and the lower portion becomes the p-type semiconductor portion 14. Note that the value of y / x increases in the order of the n-type semiconductor unit 12, the intrinsic semiconductor unit 16, and the p-type semiconductor unit 14. That is, the value of y / x is the lowest in the n-type semiconductor portion 12 and the highest in the p-type semiconductor portion 14.

クラスレート化合物(包接化合物)は、B元素及びC元素によって構成されるカゴ状組織と、それに内包されるA元素で構成される。通常のクラスレート化合物として、カゴ状組織がC元素のみによって構成されたものが知られている(例えば、BaSi46)。しかしながら、このようなクラスレート化合物の製造には、非常に高い圧力が必要となる。一方、C元素(Si)の6cサイトをB元素で置換した構造のものは、常圧でアーク溶融法によって合成することができる。The clathrate compound (clathrate compound) is composed of a cage structure composed of B element and C element and an A element included therein. As a normal clathrate compound, one in which the cage structure is composed of only the C element is known (for example, Ba 8 Si 46 ). However, the production of such clathrate compounds requires very high pressure. On the other hand, the structure in which the 6c site of the C element (Si) is substituted with the B element can be synthesized by an arc melting method at normal pressure.

クラスレート化合物の好ましい例としては、BaAuSi46−y(但し、xは7〜8であり、yは3.5〜6である。)BaAlSi46−y(但し、xは7〜8であり、yは11〜17である。)、及びBaCuSi46−y(但し、xは7〜8であり、yは3.5〜6である。)が挙げられる。このようなクラスレート化合物からなる半導体単結晶10は、B元素であるAu、Al又はCuの濃度勾配を設けることによって、極めて良好な発電材料となる。Preferred examples of clathrate compound, Ba x Au y Si 46- y ( where, x is 7 to 8, y is 3.5~6.), Ba x Al y Si 46-y ( where , X is 7 to 8 and y is 11 to 17.), and Ba x Cu x Si 46-y (where x is 7 to 8 and y is 3.5 to 6). Is mentioned. The semiconductor single crystal 10 made of such a clathrate compound becomes a very good power generation material by providing a concentration gradient of Au, Al or Cu as B elements.

図3(A)は、BaAuSi46−yのクラスレート化合物において、y=4の場合のバンドエネルギーを示す図である。図3(B)は、BaAuSi46−yのクラスレート化合物において、y=5の場合のバンドエネルギーを示す図である。図3(C)は、BaAuSi46−yのクラスレート化合物において、y=6の場合のバンドエネルギーを示す図である。FIG. 3A is a diagram showing band energy when y = 4 in a clathrate compound of Ba 8 Au y Si 46-y . FIG. 3B is a diagram showing band energy when y = 5 in a clathrate compound of Ba 8 Au y Si 46-y . FIG. 3C is a diagram showing band energy when y = 6 in the clathrate compound of Ba 8 Au y Si 46-y .

図4(A)は、BaAlSi46−yのクラスレート化合物において、y=14の場合のバンドエネルギーを示す図である。図4(B)は、BaAlSi46−yのクラスレート化合物において、y=15の場合のバンドエネルギーを示す図である。図4(C)は、BaAlSi46−yのクラスレート化合物において、y=16の場合のバンドエネルギーを示す図である。FIG. 4A is a diagram showing band energy when y = 14 in a clathrate compound of Ba 8 Al y Si 46-y . FIG. 4B is a diagram showing band energy when y = 15 in the clathrate compound of Ba 8 Al y Si 46-y . FIG. 4C is a diagram showing band energy when y = 16 in the clathrate compound of Ba 8 Al y Si 46-y .

図5(A)は、BaCuSi46−yのクラスレート化合物において、y=4の場合のバンドエネルギーを示す図である。図5(B)は、BaCuSi46−yのクラスレート化合物において、y=5の場合のバンドエネルギーを示す図である。図5(C)は、BaCuSi46−yのクラスレート化合物において、y=6の場合のバンドエネルギーを示す図である。FIG. 5A is a diagram showing band energy when y = 4 in a clathrate compound of Ba 8 Cu y Si 46-y . FIG. 5B is a graph showing band energy when y = 5 in a clathrate compound of Ba 8 Cu y Si 46-y . FIG. 5C is a diagram showing band energy when y = 6 in the clathrate compound of Ba 8 Cu y Si 46-y .

図3、図4及び図5のそれぞれにおける(A)、(B)及び(C)に示すバンドエネルギーは、第一原理計算ソフトAdvance/PHASEを用いて導出したものである。導出にあたっては、計算速度及び計算精度の観点から、密度汎関数法を用い、交換相互作用ポテンシャルはPBE−GGAを用いた。計算方法は、Projector augmented wave(PAW)法を用いた。K−Point(k点)は4×4×4=64点とし、cut off energyは340eVとした。図3から求められるバンドギャップの幅(エネルギーギャップ)を表1に示す。   The band energies shown in (A), (B), and (C) in FIGS. 3, 4, and 5 are derived using the first principle calculation software Advance / PHASE. In the derivation, the density functional method was used from the viewpoint of calculation speed and calculation accuracy, and PBE-GGA was used as the exchange interaction potential. As a calculation method, a projector augmented wave (PAW) method was used. K-Point (k point) was 4 × 4 × 4 = 64 points, and cut off energy was 340 eV. Table 1 shows the band gap width (energy gap) obtained from FIG.

表1に示す結果から、BaAuSi46−yのようなクラスレート化合物の場合、y=5の組成では、y=4及びy=6の組成に比べてバンドギャップの幅がかなり小さくなっていることがわかる。すなわち、BaAuSi46−yのバンドギャップの幅は、Auのモル比に大きく依存する。一方、BaAlSi46−yのようなクラスレート化合物の場合、y=15の組成では、y=14及びy=16の組成に比べてバンドギャップの幅がわずかに小さくなっていることがわかる。すなわち、BaAlSi46−yのバンドギャップの幅はAlのモル比に依存するが、その依存性は、BaAuSi46−yのAuのモル比に比べて小さい。From the results shown in Table 1, in the case of a clathrate compound such as Ba 8 Au y Si 46-y , the band gap width is considerably smaller in the composition of y = 5 than in the composition of y = 4 and y = 6. You can see that That is, the width of the band gap of Ba 8 Au y Si 46-y largely depends on the molar ratio of Au. On the other hand, if the clathrate compound such as Ba 8 Al y Si 46-y , the composition of y = 15, the width of the band gap is slightly smaller than the composition of y = 14 and y = 16 I understand. That is, the width of the band gap of the Ba 8 Al y Si 46-y depends on the molar ratio of Al, the dependence is smaller than the molar ratio of Au in the Ba 8 Au y Si 46-y .

BaAuSi46−y(但し、y=4〜6である。)は、BaAlSi46−y(但し、y=14〜16である。)よりも、バンドギャップの幅の差が大きい。このようにバンドギャップの幅の差が大きい材料からなる半導体単結晶10の方が、より広い温度領域において、起電力を発生することができる。したがって、汎用性が一層高い発電材料とすることができる。ただし、BaAlSi46−yも、所定の温度範囲で起電力を生じる有望な発電材料である。 Ba 8 Au y Si 46-y ( provided that y = 4 to 6.) Is, Ba 8 Al y Si 46- y ( provided that y = 14 to 16.) Than the width of the band gap The difference is big. Thus, the semiconductor single crystal 10 made of a material having a larger band gap width difference can generate an electromotive force in a wider temperature range. Therefore, it can be set as the power generation material with higher versatility. However, Ba 8 Al y Si 46- y is also a promising power material which causes an electromotive force at a predetermined temperature range.

BaCuSi46−yのクラスレート化合物の場合、y=6の組成では、y=4及びy=5の組成に比べてバンドギャップの幅がかなり小さくなっていることがわかる。すなわち、BaCuSi46−yのバンドギャップの幅は、Cuのモル比に大きく依存する。BaCuSi46−y(但し、y=4〜6である。)は、BaAlSi46−y(但し、y=14〜16である。)よりも、バンドギャップの幅の差が大きい。したがって、BaCuSi46−yからなる半導体単結晶10も、広い温度領域において、起電力を発生することができる。したがって、汎用性が一層高い発電材料とすることができる。In the case of the clathrate compound of Ba 8 Cu y Si 46-y , it can be seen that the band gap width is considerably smaller in the composition of y = 6 than in the composition of y = 4 and y = 5. That is, the width of the band gap of Ba 8 Cu y Si 46-y largely depends on the molar ratio of Cu. Ba 8 Cu y Si 46-y (where y = 4 to 6) has a band gap width larger than that of Ba 8 Al y Si 46-y (where y = 14 to 16). The difference is big. Therefore, the semiconductor single crystal 10 made of Ba 8 Cu y Si 46-y can also generate an electromotive force in a wide temperature range. Therefore, it can be set as the power generation material with higher versatility.

半導体単結晶10では、y/xがn型半導体部12からp型半導体部14に向かって増加することによって、p型半導体部とn型半導体部とこれらの間にpn接合部とを有する。式(I)で表されるようなクラスレート化合物の構成元素の濃度を、一端側から他端側に沿って傾斜した組成とすることによって、一端側から他端側に向かって、p型半導体部、pn接合部及びn型半導体部が順次配置された構造となる。このような構造を有する本実施形態の半導体単結晶は、p型半導体部とn型半導体部との温度差がなくても、所定の温度範囲で発電をすることができる。   In the semiconductor single crystal 10, y / x increases from the n-type semiconductor portion 12 toward the p-type semiconductor portion 14, thereby having a p-type semiconductor portion, an n-type semiconductor portion, and a pn junction portion therebetween. The concentration of the constituent element of the clathrate compound represented by the formula (I) is a composition that is inclined from one end side to the other end side, whereby a p-type semiconductor is formed from one end side toward the other end side. Part, pn junction part and n-type semiconductor part are arranged in this order. The semiconductor single crystal of this embodiment having such a structure can generate power in a predetermined temperature range even if there is no temperature difference between the p-type semiconductor portion and the n-type semiconductor portion.

半導体単結晶10と、n型半導体部12及びp型半導体部14にそれぞれ接続される一対の電極とを備える発電モジュールを用いて発電方法を実施することができる。発電モジュールの半導体単結晶10以外の構成は、公知のものを用いることができる。半導体単結晶10は、例えば50〜700℃に、好ましくは200〜500℃に加熱することによって、効率よく発電することができる。半導体単結晶10は、例えば、400℃における両端部の間の電位差の絶対値を0.3mV以上、又は、0.5mV以上にすることが可能であり、0.3〜20mVとすることも可能である。   The power generation method can be performed using a power generation module including the semiconductor single crystal 10 and a pair of electrodes connected to the n-type semiconductor portion 12 and the p-type semiconductor portion 14 respectively. As the configuration other than the semiconductor single crystal 10 of the power generation module, a known configuration can be used. The semiconductor single crystal 10 can generate electric power efficiently by heating to, for example, 50 to 700 ° C., preferably 200 to 500 ° C. In the semiconductor single crystal 10, for example, the absolute value of the potential difference between both ends at 400 ° C. can be 0.3 mV or more, or 0.5 mV or more, and can be 0.3 to 20 mV. It is.

本実施形態の半導体単結晶10の製造方法を、式(I)のクラスレート化合物を例にして以下に説明する。まず、式(I)の構成元素であるA元素、B元素及びC元素に対応する、金属又は半金属を準備する。そして、最終目的物の組成に応じて、準備した金属及び半金属を所定量秤量する。秤量は、必要に応じてアルゴンガスに置換されたグローブボックス内で行う。秤量した金属及び反金属を、銅製のモールド内に入れて、アーク溶融法等によって溶解する。アーク溶解中の溶融金属の温度は、例えば約3000℃である。   A method for producing the semiconductor single crystal 10 of the present embodiment will be described below using the clathrate compound of the formula (I) as an example. First, a metal or a semimetal corresponding to the A element, the B element, and the C element that are constituent elements of the formula (I) is prepared. Then, a predetermined amount of the prepared metal and metalloid is weighed according to the composition of the final object. Weighing is performed in a glove box substituted with argon gas as necessary. The weighed metal and antimetal are put into a copper mold and melted by an arc melting method or the like. The temperature of the molten metal during arc melting is, for example, about 3000 ° C.

アーク溶融によって得られた融液を冷却すると、式(I)のクラスレート化合物のインゴットが得られる。得られたインゴットを破砕して、クラスレート化合物の粒子としてもよい。この粒子を坩堝中で溶融させて、チョクラルスキー法によって単結晶を製造してもよい。これによって、式(I)のクラスレート化合物からなる半導体単結晶10を得ることができる。得られた半導体単結晶10は、所望の形状となるように切断してもよい。   When the melt obtained by arc melting is cooled, an ingot of the clathrate compound of formula (I) is obtained. The obtained ingot may be crushed to form particles of a clathrate compound. The particles may be melted in a crucible to produce a single crystal by the Czochralski method. Thereby, the semiconductor single crystal 10 made of the clathrate compound of the formula (I) can be obtained. The obtained semiconductor single crystal 10 may be cut into a desired shape.

ここで、チョクラルスキー法では、坩堝内の融液から結晶を引き上げて単結晶を得る方法である。式(I)のような複数の構成元素を有するクラスレート化合物の単結晶をチョクラルスキー法で作製する場合、密度の大きい成分よりも小さい成分の方が容易に引き上げられて先に結晶化する傾向がある。このため、単結晶の製造が進行するにつれて、融液の組成が変化する。したがって、チョクラルスキー法で作製された半導体単結晶は、先に形成された部分の方が、後に形成された部分よりも、密度の大きい成分の濃度が低い傾向にある。   Here, the Czochralski method is a method of obtaining a single crystal by pulling a crystal from the melt in the crucible. When a single crystal of a clathrate compound having a plurality of constituent elements such as formula (I) is produced by the Czochralski method, the component having a smaller density than the component having a higher density is easily pulled and crystallized first. Tend. For this reason, as the production of the single crystal proceeds, the composition of the melt changes. Therefore, in the semiconductor single crystal manufactured by the Czochralski method, the concentration of components having a higher density tends to be lower in the portion formed earlier than in the portion formed later.

例えば、B元素がAuであり、C元素がSiである場合、Auの方がSiよりも密度が大きいため、後に形成された部分の方が、Au濃度が高くなる。したがって、この場合、当初の各金属及び半金属の配合比を調整することによって、先に形成された部分がn型半導体部12となり、後に形成された部分がp型半導体部14となる。   For example, when the B element is Au and the C element is Si, the density of Au is higher in the portion formed later because the density of Au is higher than that of Si. Therefore, in this case, by adjusting the initial mixing ratio of each metal and metalloid, the previously formed portion becomes the n-type semiconductor portion 12 and the later formed portion becomes the p-type semiconductor portion 14.

図6は、別の実施形態の半導体単結晶の構成を模式的に示す図である。半導体単結晶10aは、上側にn型半導体部12を有し、下側に真性半導体部16を有する。一方、半導体単結晶10aは、p型半導体部を有していない。n型半導体部12は第1の半導体部に相当し、真性半導体部16は第2の半導体部に相当する。   FIG. 6 is a diagram schematically illustrating a configuration of a semiconductor single crystal according to another embodiment. The semiconductor single crystal 10a has an n-type semiconductor portion 12 on the upper side and an intrinsic semiconductor portion 16 on the lower side. On the other hand, the semiconductor single crystal 10a does not have a p-type semiconductor portion. The n-type semiconductor portion 12 corresponds to a first semiconductor portion, and the intrinsic semiconductor portion 16 corresponds to a second semiconductor portion.

半導体単結晶10aは、n型半導体部12から真性半導体部16に向かって所定の元素の濃度が変化している。半導体単結晶10と同様に、このような元素の濃度勾配が、半導体単結晶10aのバンドギャップの分布に寄与している。   In the semiconductor single crystal 10 a, the concentration of a predetermined element changes from the n-type semiconductor portion 12 toward the intrinsic semiconductor portion 16. Similar to the semiconductor single crystal 10, the concentration gradient of such an element contributes to the band gap distribution of the semiconductor single crystal 10a.

図7(A)及び(B)は、本実施形態の半導体単結晶のバンドギャップの状態を示す概念図である。図7(A)及び(B)の縦軸は電子のエネルギーであり、横軸は半導体単結晶のn型半導体部12側の端部からの距離である。図7(A)及び(B)に示すとおり、真性半導体部16におけるバンドギャップは、n型半導体部12におけるバンドギャップよりも小さくなっている。n型半導体部12は、フェルミレベルfが伝導帯側にある部分である。真性半導体部16は、フェルミレベルfが、伝導帯と価電子帯との間の禁止帯の中央にある部分である。半導体単結晶10aのバンドギャップは、n型半導体部12側の端部から、真性半導体部16側の端部に向かって漸減していてもよい。   FIGS. 7A and 7B are conceptual diagrams showing a band gap state of the semiconductor single crystal of the present embodiment. 7A and 7B, the vertical axis represents the energy of electrons, and the horizontal axis represents the distance from the end of the semiconductor single crystal on the n-type semiconductor portion 12 side. As shown in FIGS. 7A and 7B, the band gap in the intrinsic semiconductor portion 16 is smaller than the band gap in the n-type semiconductor portion 12. The n-type semiconductor portion 12 is a portion where the Fermi level f is on the conduction band side. The intrinsic semiconductor portion 16 is a portion where the Fermi level f is at the center of the forbidden band between the conduction band and the valence band. The band gap of the semiconductor single crystal 10a may gradually decrease from the end on the n-type semiconductor portion 12 side toward the end on the intrinsic semiconductor portion 16 side.

図7(A)は、半導体単結晶10aを所定の温度に加熱したときの熱励起の状態を示す概念図である。図7(A)に示すように、半導体単結晶10aを所定の温度に加熱すると、価電子帯の電子が伝導帯に熱励起する。このとき、バンドギャップが相対的に小さい真性半導体部16のみで伝導帯に電子が熱励起される。一方、バンドギャップが真性半導体部16よりも大きいn型半導体部12では、電子が熱励起されない。   FIG. 7A is a conceptual diagram showing a state of thermal excitation when the semiconductor single crystal 10a is heated to a predetermined temperature. As shown in FIG. 7A, when the semiconductor single crystal 10a is heated to a predetermined temperature, electrons in the valence band are thermally excited to the conduction band. At this time, electrons are thermally excited in the conduction band only by the intrinsic semiconductor portion 16 having a relatively small band gap. On the other hand, in the n-type semiconductor part 12 whose band gap is larger than that of the intrinsic semiconductor part 16, electrons are not thermally excited.

図7(B)は、半導体単結晶10aを所定の温度に加熱したときの電子(黒丸)の移動を示す概念図である。図7(B)に示すように、伝導帯に励起した電子は、エネルギーの低い方、すなわちn型半導体部12側に移動する。一方、電子の励起により価電子帯側に生じたホール(白丸)は真性半導体部16に滞留する。これによって、n型半導体部12が負に帯電し、真性半導体部16が正に帯電するため、起電力が生じる。このようにして、半導体単結晶10aは、n型半導体部12と真性半導体部16との間に温度差がなくても、発電することができる。   FIG. 7B is a conceptual diagram showing movement of electrons (black circles) when the semiconductor single crystal 10a is heated to a predetermined temperature. As shown in FIG. 7B, the electrons excited in the conduction band move to the lower energy side, that is, the n-type semiconductor portion 12 side. On the other hand, holes (white circles) generated on the valence band side by electron excitation stay in the intrinsic semiconductor portion 16. As a result, the n-type semiconductor portion 12 is negatively charged and the intrinsic semiconductor portion 16 is positively charged, so that an electromotive force is generated. In this way, the semiconductor single crystal 10a can generate power even if there is no temperature difference between the n-type semiconductor portion 12 and the intrinsic semiconductor portion 16.

半導体単結晶10aは、キャリアが電子のみである点で、キャリアが電子と正孔である半導体単結晶10と異なる。本実施形態の半導体単結晶10aも、温度差がなくても発電できることから、半導体単結晶10と同様に有用である。半導体単結晶10aでは、p型半導体部を形成する必要がない。このため、上記式(I)で表されるクラスレート化合物によって製造することが容易となる。   The semiconductor single crystal 10a is different from the semiconductor single crystal 10 in which carriers are electrons and holes in that the carriers are only electrons. The semiconductor single crystal 10a of the present embodiment is also useful as the semiconductor single crystal 10 because it can generate power even without a temperature difference. In the semiconductor single crystal 10a, it is not necessary to form a p-type semiconductor portion. For this reason, it becomes easy to produce with the clathrate compound represented by the above formula (I).

半導体単結晶10aにおける、n型半導体部12及び真性半導体部16のバンドギャップの幅(エネルギーギャップ)及びその比は、半導体単結晶10と同様である。また、半導体単結晶10aを構成する材料は、半導体単結晶10と同様に上記式(I)で表されるクラスレート化合物であってもよい。ただし、半導体単結晶10aは、p型半導体部を有しないことから、上記式(I)におけるxは、7〜8、及びyは3.5〜5.5又は11〜16である。   The band gap width (energy gap) and the ratio of the n-type semiconductor part 12 and the intrinsic semiconductor part 16 in the semiconductor single crystal 10a are the same as those of the semiconductor single crystal 10. Further, the material constituting the semiconductor single crystal 10 a may be a clathrate compound represented by the above formula (I) as in the case of the semiconductor single crystal 10. However, since the semiconductor single crystal 10a does not have a p-type semiconductor portion, x in the above formula (I) is 7 to 8, and y is 3.5 to 5.5 or 11 to 16.

半導体単結晶10aにおいて、クラスレート化合物におけるB元素のモル比を示すyは、図6の矢印α方向に沿って増加している。一方、A元素のモル比を示すxは、半導体単結晶10aにおいてほぼ均一に分布していてもよいし、図6の矢印α方向に沿って減少していてもよい。すなわち、半導体単結晶10aでは、y/xの値が、図6の上端から下端に向かう矢印α方向に沿って概ね増加している。したがって、下部の方がA元素に対するB元素のモル比(y/x)が高くなっている。これによって、上部はn型半導体部12となり、下部は真性半導体部16となっている。なお、y/xの値は、n型半導体部12よりも真性半導体部16の方が高い。半導体単結晶10aにおいて、y/xの値は、真性半導体部16側の端部から、n型半導体部12側の端部に向かって漸減していてもよい。   In the semiconductor single crystal 10a, y indicating the molar ratio of the B element in the clathrate compound increases along the direction of the arrow α in FIG. On the other hand, x indicating the molar ratio of the A element may be distributed substantially uniformly in the semiconductor single crystal 10a, or may decrease along the direction of the arrow α in FIG. That is, in the semiconductor single crystal 10a, the value of y / x generally increases along the arrow α direction from the upper end to the lower end in FIG. Therefore, the lower portion has a higher molar ratio (y / x) of the B element to the A element. Thus, the upper portion becomes the n-type semiconductor portion 12 and the lower portion becomes the intrinsic semiconductor portion 16. The value of y / x is higher in the intrinsic semiconductor portion 16 than in the n-type semiconductor portion 12. In the semiconductor single crystal 10a, the value of y / x may gradually decrease from the end on the intrinsic semiconductor portion 16 side toward the end on the n-type semiconductor portion 12 side.

クラスレート化合物の好ましい例としては、BaAuSi46−y(但し、xは7〜8であり、yは3.5〜5.5である。)BaAlSi46−y(但し、xは7〜8であり、yは11〜16である。)、及びBaCuSi46−y(但し、xは7〜8であり、yは3.5〜5.5である。)が挙げられる。Preferred examples of clathrate compound, Ba x Au y Si 46- y ( where, x is 7 to 8, y is 3.5~5.5.), Ba x Al y Si 46-y (where, x is 7 to 8, y is 11 to 16.), and Ba x Cu x Si 46-y ( where, x is 7 to 8, y is from 3.5 to 5.5 .).

半導体単結晶10aは、半導体単結晶10と同様にして製造し、同様の温度に加熱して発電することができる。半導体単結晶10におけるp型半導体部以外の上記説明内容は、半導体単結晶10aにも適用できる。   The semiconductor single crystal 10a can be produced in the same manner as the semiconductor single crystal 10, and can be generated by heating to the same temperature. The above description other than the p-type semiconductor portion in the semiconductor single crystal 10 can be applied to the semiconductor single crystal 10a.

図8は、さらに別の実施形態の半導体単結晶の構成を模式的に示す図である。半導体単結晶10bは、上側に真性半導体部16を有し、下側にp型半導体部14を有する。一方、半導体単結晶10bは、n型半導体部を有していない。p型半導体部14は第1の半導体部に相当し、真性半導体部16は第2の半導体部に相当する。   FIG. 8 is a diagram schematically showing a configuration of a semiconductor single crystal according to still another embodiment. The semiconductor single crystal 10b has an intrinsic semiconductor part 16 on the upper side and a p-type semiconductor part 14 on the lower side. On the other hand, the semiconductor single crystal 10b does not have an n-type semiconductor portion. The p-type semiconductor portion 14 corresponds to a first semiconductor portion, and the intrinsic semiconductor portion 16 corresponds to a second semiconductor portion.

半導体単結晶10bは、真性半導体部16からp型半導体部14に向かって所定の元素の濃度が変化している。半導体単結晶10,10aと同様に、このような元素の濃度勾配が、半導体単結晶10bのバンドギャップの分布に寄与している。   In the semiconductor single crystal 10 b, the concentration of a predetermined element changes from the intrinsic semiconductor portion 16 toward the p-type semiconductor portion 14. Similar to the semiconductor single crystals 10 and 10a, the concentration gradient of such an element contributes to the band gap distribution of the semiconductor single crystal 10b.

図9(A)及び(B)は、本実施形態の半導体単結晶のバンドギャップの状態を示す概念図である。図9(A)及び(B)の縦軸は電子のエネルギーであり、横軸は半導体単結晶の真性半導体部16側の端部からの距離である。図9(A)及び(B)に示すとおり、真性半導体部16におけるバンドギャップは、p型半導体部14におけるバンドギャップよりも小さくなっている。p型半導体部14は、フェルミレベルfが価電子帯側にある部分である。真性半導体部16は、フェルミレベルfが、伝導帯と価電子帯との間の禁止帯の中央にある部分である。半導体単結晶10bのバンドギャップは、真性半導体部16側の端部から、p型半導体部14側の端部に向かって漸増していてもよい。   FIGS. 9A and 9B are conceptual diagrams showing the state of the band gap of the semiconductor single crystal of this embodiment. 9A and 9B, the vertical axis represents the energy of electrons, and the horizontal axis represents the distance from the end of the semiconductor single crystal on the intrinsic semiconductor portion 16 side. As shown in FIGS. 9A and 9B, the band gap in the intrinsic semiconductor portion 16 is smaller than the band gap in the p-type semiconductor portion 14. The p-type semiconductor portion 14 is a portion where the Fermi level f is on the valence band side. The intrinsic semiconductor portion 16 is a portion where the Fermi level f is at the center of the forbidden band between the conduction band and the valence band. The band gap of the semiconductor single crystal 10b may gradually increase from the end on the intrinsic semiconductor part 16 side toward the end on the p-type semiconductor part 14 side.

図9(A)は、半導体単結晶10bを所定の温度に加熱したときの熱励起の状態を示す概念図である。図9(A)に示すように、半導体単結晶10bを所定の温度に加熱すると、価電子帯の電子が伝導帯に熱励起する。このとき、バンドギャップが相対的に小さい真性半導体部16のみで伝導帯に電子が熱励起される。一方、バンドギャップが真性半導体部16よりも大きいp型半導体部14では、電子が熱励起されない。   FIG. 9A is a conceptual diagram showing a state of thermal excitation when the semiconductor single crystal 10b is heated to a predetermined temperature. As shown in FIG. 9A, when the semiconductor single crystal 10b is heated to a predetermined temperature, electrons in the valence band are thermally excited to the conduction band. At this time, electrons are thermally excited in the conduction band only by the intrinsic semiconductor portion 16 having a relatively small band gap. On the other hand, electrons are not thermally excited in the p-type semiconductor portion 14 having a band gap larger than that of the intrinsic semiconductor portion 16.

図9(B)は、半導体単結晶10bを所定の温度に加熱したときのホール(白丸)の移動を示す概念図である。図9(B)に示すように、伝導帯に励起した電子は、エネルギーの低い方、すなわち真性半導体部16側に滞留する。一方、電子の励起により価電子帯側に生じたホールはp型半導体部14に移動する。これによって、p型半導体部14が正に帯電し、真性半導体部16が負に帯電するため、起電力が生じる。このようにして、半導体単結晶10bは、p型半導体部14と真性半導体部16との間に温度差がなくても、発電することができる。   FIG. 9B is a conceptual diagram showing movement of holes (white circles) when the semiconductor single crystal 10b is heated to a predetermined temperature. As shown in FIG. 9B, the electrons excited in the conduction band stay on the lower energy side, that is, on the intrinsic semiconductor portion 16 side. On the other hand, holes generated on the valence band side due to excitation of electrons move to the p-type semiconductor portion 14. As a result, the p-type semiconductor portion 14 is positively charged and the intrinsic semiconductor portion 16 is negatively charged, so that an electromotive force is generated. In this way, the semiconductor single crystal 10b can generate power even if there is no temperature difference between the p-type semiconductor portion 14 and the intrinsic semiconductor portion 16.

半導体単結晶10bは、キャリアがホールのみである点で、キャリアが電子と正孔である半導体単結晶10と異なる。本実施形態の半導体単結晶10bも、温度差がなくても発電できることから、半導体単結晶10,10aと同様に有用である。   The semiconductor single crystal 10b differs from the semiconductor single crystal 10 in which carriers are electrons and holes in that the carriers are only holes. The semiconductor single crystal 10b of the present embodiment is also useful as the semiconductor single crystals 10 and 10a because it can generate power even if there is no temperature difference.

半導体単結晶10bにおける、p型半導体部14及び真性半導体部16のバンドギャップの幅(エネルギーギャップ)及びその比は、半導体単結晶10と同様である。また、半導体単結晶10aを構成する材料は、半導体単結晶10と同様に上記式(I)で表されるクラスレート化合物であってもよい。ただし、半導体単結晶10bは、n型半導体部を有しないことから、上記式(I)におけるxは、7〜8、及びyは5.3〜6又は16〜17である。   The band gap width (energy gap) and the ratio of the p-type semiconductor portion 14 and the intrinsic semiconductor portion 16 in the semiconductor single crystal 10 b are the same as those of the semiconductor single crystal 10. Further, the material constituting the semiconductor single crystal 10 a may be a clathrate compound represented by the above formula (I) as in the case of the semiconductor single crystal 10. However, since the semiconductor single crystal 10b does not have an n-type semiconductor portion, x in the above formula (I) is 7 to 8, and y is 5.3 to 6 or 16 to 17.

半導体単結晶10bにおいて、クラスレート化合物におけるB元素のモル比を示すyは、図8の矢印α方向に沿って増加している。一方、A元素のモル比を示すxは、半導体単結晶10bにおいてほぼ均一に分布していてもよいし、図8の矢印α方向に沿って減少していてもよい。すなわち、半導体単結晶10bでは、y/xの値が、図8の上端から下端に向かう矢印α方向に沿って概ね増加している。したがって、下部の方がA元素に対するB元素のモル比(y/x)が高くなっている。これによって、上部は真性半導体部16となり、下部はp型半導体部14となっている。なお、y/xの値は、真性半導体部16よりもp型半導体部14の方が高い。半導体単結晶10bにおいて、y/xの値は、真性半導体部16側の端部から、p型半導体部14側の端部に向かって漸増していてもよい。   In the semiconductor single crystal 10b, y indicating the molar ratio of the B element in the clathrate compound increases along the arrow α direction in FIG. On the other hand, x indicating the molar ratio of the A element may be distributed substantially uniformly in the semiconductor single crystal 10b or may decrease along the direction of the arrow α in FIG. That is, in the semiconductor single crystal 10b, the value of y / x generally increases along the arrow α direction from the upper end to the lower end in FIG. Therefore, the lower portion has a higher molar ratio (y / x) of the B element to the A element. Thus, the upper portion becomes the intrinsic semiconductor portion 16 and the lower portion becomes the p-type semiconductor portion 14. Note that the value of y / x is higher in the p-type semiconductor portion 14 than in the intrinsic semiconductor portion 16. In the semiconductor single crystal 10b, the value of y / x may gradually increase from the end portion on the intrinsic semiconductor portion 16 side toward the end portion on the p-type semiconductor portion 14 side.

クラスレート化合物の好ましい例としては、BaAuSi46−y(但し、xは7〜8であり、yは5.3〜6である。)BaAlSi46−y(但し、xは7〜8であり、yは16〜17である。)、及びBaCuSi46−y(但し、xは7〜8であり、yは5.3〜6である。)が挙げられる。Preferred examples of clathrate compound, Ba x Au y Si 46- y ( where, x is 7 to 8, y is 5.3~6.), Ba x Al y Si 46-y ( where , X is 7-8, y is 16-17), and Ba x Cu x Si 46-y (where x is 7-8 and y is 5.3-6). Is mentioned.

半導体単結晶10bは、半導体単結晶10,10aと同様にして製造し、同様の温度に加熱して発電することができる。半導体単結晶10におけるp型半導体部以外の上記説明内容は、半導体単結晶10bにも適用される。   The semiconductor single crystal 10b can be produced in the same manner as the semiconductor single crystals 10 and 10a, and can be generated by heating to the same temperature. The above description other than the p-type semiconductor portion in the semiconductor single crystal 10 also applies to the semiconductor single crystal 10b.

図10は、さらに別の実施形態の半導体単結晶の構成を模式的に示す図である。半導体単結晶10cは、n型半導体部12(第1の半導体部)を備える。すなわち、半導体単結晶10cはn型半導体のみで構成される。半導体単結晶10cは、上端部12A(一方の端部)から下端部12B(他方の端部)に向かって所定の元素の濃度が変化している。半導体単結晶10,10a,10bと同様に、このような元素の濃度勾配が、半導体単結晶10cのバンドギャップの分布に寄与している。   FIG. 10 is a diagram schematically showing a configuration of a semiconductor single crystal according to still another embodiment. The semiconductor single crystal 10c includes an n-type semiconductor portion 12 (first semiconductor portion). That is, the semiconductor single crystal 10c is composed only of an n-type semiconductor. In the semiconductor single crystal 10c, the concentration of a predetermined element changes from the upper end 12A (one end) to the lower end 12B (the other end). Similar to the semiconductor single crystals 10, 10a, 10b, the concentration gradient of such elements contributes to the band gap distribution of the semiconductor single crystal 10c.

図11(A)及び(B)は、本実施形態の半導体単結晶のバンドギャップの状態を示す概念図である。図11(A)及び(B)の縦軸は電子のエネルギーであり、横軸は半導体単結晶10cの上端からの距離である。図11(A)及び(B)に示すとおり、n型半導体12(半導体単結晶10c)の下端部12Bにおけるバンドギャップは、n型半導体12(半導体単結晶10c)の上端部12Aにおけるバンドギャップよりも小さくなっている。半導体単結晶10cは、上端部12Aから下端部12Bに向かってバンドギャップが漸減していてもよい。   FIGS. 11A and 11B are conceptual diagrams showing the state of the band gap of the semiconductor single crystal of the present embodiment. 11A and 11B, the vertical axis represents the energy of electrons, and the horizontal axis represents the distance from the upper end of the semiconductor single crystal 10c. As shown in FIGS. 11A and 11B, the band gap at the lower end 12B of the n-type semiconductor 12 (semiconductor single crystal 10c) is larger than the band gap at the upper end 12A of the n-type semiconductor 12 (semiconductor single crystal 10c). Is also getting smaller. The semiconductor single crystal 10c may have a band gap that gradually decreases from the upper end 12A toward the lower end 12B.

図11(A)は、半導体単結晶10cを所定の温度に加熱したときの熱励起の状態を示す概念図である。図11(A)に示すように、半導体単結晶10cを所定の温度に加熱すると、価電子帯の電子が伝導帯に熱励起する。このとき、バンドギャップが相対的に小さい下端部12Bのみで伝導帯に電子が熱励起される。一方、バンドギャップが下端部12Bよりも大きい上端部12Aでは、電子が熱励起されない。   FIG. 11A is a conceptual diagram showing a state of thermal excitation when the semiconductor single crystal 10c is heated to a predetermined temperature. As shown in FIG. 11A, when the semiconductor single crystal 10c is heated to a predetermined temperature, electrons in the valence band are thermally excited to the conduction band. At this time, electrons are thermally excited in the conduction band only by the lower end portion 12B having a relatively small band gap. On the other hand, electrons are not thermally excited at the upper end portion 12A having a band gap larger than the lower end portion 12B.

図11(B)は、半導体単結晶10cを所定の温度に加熱したときの電子(黒丸)の移動を示す概念図である。図11(B)に示すように、伝導帯に励起した電子は、上端部12A側に移動する。一方、電子の励起により価電子帯側に生じたホール(白丸)は下端部12B側に滞留する。これによって、上端部12A側が負に帯電し、下端部12B側が正に帯電するため、起電力が生じる。このようにして、半導体単結晶10cは、上端部12Aと下端部12Bとの間に温度差がなくても、発電することができる。   FIG. 11B is a conceptual diagram showing movement of electrons (black circles) when the semiconductor single crystal 10c is heated to a predetermined temperature. As shown in FIG. 11B, the electrons excited in the conduction band move to the upper end portion 12A side. On the other hand, holes (white circles) generated on the valence band side by electron excitation stay on the lower end 12B side. As a result, the upper end portion 12A side is negatively charged and the lower end portion 12B side is positively charged, so that an electromotive force is generated. In this way, the semiconductor single crystal 10c can generate power even if there is no temperature difference between the upper end portion 12A and the lower end portion 12B.

半導体単結晶10cは、キャリアが電子のみである点で、半導体単結晶10aと共通する。本実施形態の半導体単結晶10cも、温度差がなくても発電できることから、半導体単結晶10,10a,10bと同様に有用である。   The semiconductor single crystal 10c is common to the semiconductor single crystal 10a in that the carriers are only electrons. The semiconductor single crystal 10c of this embodiment is also useful as the semiconductor single crystals 10, 10a, and 10b because it can generate power even if there is no temperature difference.

半導体単結晶10cにおける、上端部12A及び下端部12Bのバンドギャップの幅(エネルギーギャップ)及びその比に特に制限はない。上端部12Aにおけるバンドギャップの幅(エネルギーギャップ)に対する、下端部12Bのバンドギャップの幅(エネルギーギャップ)の比は、小さい方が好ましい。上記比は、0.8以下であってもよく、0.1〜0.7であってもよい。この比が小さいほど、発電できる温度領域を十分に広くすることができる。   There is no particular limitation on the band gap width (energy gap) and the ratio of the upper end portion 12A and the lower end portion 12B in the semiconductor single crystal 10c. The ratio of the band gap width (energy gap) of the lower end portion 12B to the band gap width (energy gap) of the upper end portion 12A is preferably small. 0.8 or less may be sufficient as the said ratio, and 0.1-0.7 may be sufficient as it. The smaller this ratio, the wider the temperature range in which power can be generated.

半導体単結晶10cを構成する材料は、半導体単結晶10と同様に上記式(I)で表されるクラスレート化合物であってもよい。ただし、半導体単結晶10cは、p型半導体部及び真性半導体部を有しないことから、上記式(I)におけるxは、7〜8、及びyは3.5〜5.5又は11〜16である。   The material constituting the semiconductor single crystal 10 c may be a clathrate compound represented by the above formula (I), as with the semiconductor single crystal 10. However, since the semiconductor single crystal 10c does not have a p-type semiconductor portion and an intrinsic semiconductor portion, x in the above formula (I) is 7 to 8, and y is 3.5 to 5.5 or 11 to 16. is there.

半導体単結晶10cにおいて、クラスレート化合物におけるB元素のモル比を示すyは、図10の矢印α方向に沿って概ね増えていてもよい。一方、A元素のモル比を示すxは、半導体単結晶10cにおいてほぼ均一に分布していてもよいし、図10の矢印α方向に沿って概ね減少していてもよい。半導体単結晶10cでは、y/xの値が、上端部12Aよりも下端部12Bの方が大きい。すなわち、上端部14Aよりも下端部12Bの方がA元素に対するB元素のモル比(y/x)が高くなっている。   In the semiconductor single crystal 10c, y indicating the molar ratio of the B element in the clathrate compound may generally increase along the direction of the arrow α in FIG. On the other hand, x indicating the molar ratio of the element A may be distributed substantially uniformly in the semiconductor single crystal 10c, or may be substantially decreased along the direction of the arrow α in FIG. In the semiconductor single crystal 10c, the value of y / x is larger at the lower end 12B than at the upper end 12A. That is, the lower end portion 12B has a higher molar ratio (y / x) of the B element to the A element than the upper end portion 14A.

クラスレート化合物の好ましい例は、半導体単結晶10aと同様である。半導体単結晶10cは、半導体単結晶10aと同様にして製造し、同様の温度に加熱して発電することができる。半導体単結晶10における真性半導体部及びp型半導体部以外の説明内容は、半導体単結晶10cにも適用される。   A preferred example of the clathrate compound is the same as that of the semiconductor single crystal 10a. The semiconductor single crystal 10c can be produced in the same manner as the semiconductor single crystal 10a, and can be generated by heating to the same temperature. The description other than the intrinsic semiconductor portion and the p-type semiconductor portion in the semiconductor single crystal 10 also applies to the semiconductor single crystal 10c.

図10の半導体単結晶は、p型半導体14から構成される半導体単結晶10dであってもよい。半導体単結晶10dは、p型半導体部14(第1の半導体部)を備える。すなわち、半導体単結晶10dはp型半導体のみで構成される。半導体単結晶10dは、上端部14A(一方の端部)から下端部14B(他方の端部)に向かって所定の元素の濃度が変化している。半導体単結晶10,10a,10b,10cと同様に、このような元素の濃度勾配が、半導体単結晶10dのバンドギャップの分布に寄与している。   The semiconductor single crystal shown in FIG. 10 may be a semiconductor single crystal 10 d composed of the p-type semiconductor 14. The semiconductor single crystal 10d includes a p-type semiconductor part 14 (first semiconductor part). That is, the semiconductor single crystal 10d is composed of only a p-type semiconductor. In the semiconductor single crystal 10d, the concentration of a predetermined element changes from the upper end portion 14A (one end portion) toward the lower end portion 14B (the other end portion). Similar to the semiconductor single crystals 10, 10a, 10b, and 10c, the concentration gradient of such an element contributes to the band gap distribution of the semiconductor single crystal 10d.

図12(A)及び(B)は、半導体単結晶10dのバンドギャップの状態を示す概念図である。図12(A)及び(B)の縦軸は電子のエネルギーであり、横軸は半導体単結晶10dの上端からの距離である。図12(A)及び(B)に示すとおり、p型半導体14(半導体単結晶10d)の上端部14Aにおけるバンドギャップは、p型半導体14(半導体単結晶10d)の下端部14Bにおけるバンドギャップよりも小さくなっている。すなわち、半導体単結晶10dは、上端部14Aから下端部14Bに向かってバンドギャップが漸増していてもよい。   12A and 12B are conceptual diagrams showing the band gap state of the semiconductor single crystal 10d. 12A and 12B, the vertical axis represents electron energy, and the horizontal axis represents the distance from the upper end of the semiconductor single crystal 10d. As shown in FIGS. 12A and 12B, the band gap at the upper end portion 14A of the p-type semiconductor 14 (semiconductor single crystal 10d) is larger than the band gap at the lower end portion 14B of the p-type semiconductor 14 (semiconductor single crystal 10d). Is also getting smaller. That is, the semiconductor single crystal 10d may have a band gap that gradually increases from the upper end portion 14A toward the lower end portion 14B.

図12(A)は、半導体単結晶10cを所定の温度に加熱したときの熱励起の状態を示す概念図である。図12(A)に示すように、半導体単結晶10dを所定の温度に加熱すると、価電子帯の電子が伝導帯に熱励起する。このとき、バンドギャップが相対的に小さい上端部14Aのみで伝導帯に電子が熱励起される。一方、バンドギャップが上端部14Aよりも大きい下端部14Bでは、電子が熱励起されない。   FIG. 12A is a conceptual diagram showing a state of thermal excitation when the semiconductor single crystal 10c is heated to a predetermined temperature. As shown in FIG. 12A, when the semiconductor single crystal 10d is heated to a predetermined temperature, electrons in the valence band are thermally excited to the conduction band. At this time, electrons are thermally excited in the conduction band only by the upper end portion 14A having a relatively small band gap. On the other hand, electrons are not thermally excited at the lower end portion 14B having a band gap larger than the upper end portion 14A.

図12(B)は、半導体単結晶10dを所定の温度に加熱したときのホール(白丸)の移動を示す概念図である。図12(B)に示すように、電子の励起によって価電子帯に生じたホールは、下端部14B側に移動する。一方、伝導帯に励起された電子は上端部14A側に滞留する。これによって、上端部14A側が負に帯電し、下端部14B側が正に帯電するため、起電力が生じる。このようにして、半導体単結晶10dは、上端部14Aと下端部14Bとの間に温度差がなくても、発電することができる。   FIG. 12B is a conceptual diagram showing movement of holes (white circles) when the semiconductor single crystal 10d is heated to a predetermined temperature. As shown in FIG. 12B, holes generated in the valence band by excitation of electrons move to the lower end portion 14B side. On the other hand, electrons excited in the conduction band stay on the upper end portion 14A side. As a result, the upper end portion 14A side is negatively charged and the lower end portion 14B side is positively charged, so that an electromotive force is generated. In this way, the semiconductor single crystal 10d can generate power even if there is no temperature difference between the upper end portion 14A and the lower end portion 14B.

半導体単結晶10cは、キャリアが正孔のみである点で、半導体単結晶10bと共通する。本実施形態の半導体単結晶10dも、温度差がなくても発電できることから、半導体単結晶10,10a,10b,10cと同様に有用である。   The semiconductor single crystal 10c is common to the semiconductor single crystal 10b in that the carriers are only holes. The semiconductor single crystal 10d of the present embodiment is also useful as the semiconductor single crystals 10, 10a, 10b, and 10c because it can generate power even if there is no temperature difference.

半導体単結晶10dにおける、上端部14A及び下端部14Bのバンドギャップの幅(エネルギーギャップ)及びその比は、半導体単結晶10cと同様である。
半導体単結晶10dを構成する材料は、半導体単結晶10と同様に上記式(I)で表されるクラスレート化合物であってもよい。ただし、半導体単結晶10dは、n型半導体部及び真性半導体部を有しないことから、上記式(I)におけるxは、7〜8、及びyは5.3〜6又は16〜17である。
The band gap width (energy gap) and the ratio of the upper end portion 14A and the lower end portion 14B in the semiconductor single crystal 10d are the same as those of the semiconductor single crystal 10c.
The material constituting the semiconductor single crystal 10d may be a clathrate compound represented by the above formula (I) as in the case of the semiconductor single crystal 10. However, since the semiconductor single crystal 10d does not have an n-type semiconductor portion and an intrinsic semiconductor portion, x in the above formula (I) is 7 to 8, and y is 5.3 to 6 or 16 to 17.

半導体単結晶10dにおいて、クラスレート化合物におけるB元素のモル比を示すyは、図10の矢印α方向に沿って概ね増えていてもよい。一方、A元素のモル比を示すxは、半導体単結晶10dにおいてほぼ均一に分布していてもよいし、図10の矢印α方向に沿って概ね減少していてもよい。半導体単結晶10dでは、y/xの値が、上端部14Aよりも下端部14Bの方が大きい。すなわち、上端部14Aよりも下端部14Bの方がA元素に対するB元素のモル比(y/x)が高くなっている。   In the semiconductor single crystal 10d, y indicating the molar ratio of the B element in the clathrate compound may generally increase along the direction of the arrow α in FIG. On the other hand, x indicating the molar ratio of the A element may be distributed substantially uniformly in the semiconductor single crystal 10d, or may be substantially decreased along the direction of the arrow α in FIG. In the semiconductor single crystal 10d, the value of y / x is larger in the lower end portion 14B than in the upper end portion 14A. That is, the lower end portion 14B has a higher molar ratio (y / x) of the B element to the A element than the upper end portion 14A.

以上、本発明の好適な実施形態を説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されるものではない。例えば、上述の実施形態では、柱状の半導体単結晶を示したが、本発明の半導体単結晶の形状は角柱形状に限定されるものではなく、用途に応じて種々の形状にすることができる。また、半導体単結晶の製造方法は、上述の方法に限定されるものではなく、各種の単結晶の製造方法を適用することができる。例えば、均一な組成を有する単結晶に、ドーパントなどのイオンを注入する方法、単結晶を所定の金属の融液に浸漬するシンタリングによる方法によって、単結晶に所定元素の濃度差を設けて、半導体単結晶を製造してもよい。また、予め所定の元素濃度が変化するように多結晶の試料を準備しておいて、試料にレーザー光を照射して溶解した後、徐々に冷却して単結晶を成長させるFZ法(フローティングゾーン法)によって製造してもよい。   The preferred embodiments of the present invention have been described above, but the present invention is not limited to the above-described embodiments. For example, in the above-described embodiment, a columnar semiconductor single crystal is shown. However, the shape of the semiconductor single crystal of the present invention is not limited to a prismatic shape, and various shapes can be used depending on applications. Moreover, the manufacturing method of a semiconductor single crystal is not limited to the above-mentioned method, The manufacturing method of various single crystals can be applied. For example, by a method of implanting ions such as dopants into a single crystal having a uniform composition, a method of sintering by immersing the single crystal in a melt of a predetermined metal, and providing a concentration difference of the predetermined element in the single crystal, A semiconductor single crystal may be manufactured. In addition, a polycrystalline sample is prepared in advance so that a predetermined element concentration changes, and after the sample is irradiated with a laser beam and dissolved, the sample is gradually cooled to grow a single crystal. Method).

以下に実施例及び比較例を挙げて本発明をさらに具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to examples and comparative examples, but the present invention is not limited to these examples.

(実施例1)
<アーク溶融法によるクラスレート化合物の調製>
市販のBa粉末、Au粉末、及びSi粉末(いずれも高純度品)を準備した。これらの粉末を、Ba:Au:Si=8:6:40(モル比)となるように秤量した。秤量した各粉末をCuモールドに入れて、チャンバー内に載置した。チャンバー内をアルゴンガスで置換した後、アーク溶融法によって約2000℃に加熱し、Cuモールド内の粉末を溶融させた。このようにして、クラスレート化合物(BaAuSi40)を調製した。
Example 1
<Preparation of clathrate compound by arc melting method>
Commercially available Ba powder, Au powder, and Si powder (all high-purity products) were prepared. These powders were weighed so that Ba: Au: Si = 8: 6: 40 (molar ratio). Each weighed powder was placed in a Cu mold and placed in a chamber. After replacing the inside of the chamber with argon gas, it was heated to about 2000 ° C. by the arc melting method to melt the powder in the Cu mold. In this way, a clathrate compound (Ba 8 Au 6 Si 40 ) was prepared.

<チョクラルスキー法による単結晶の作製>
調製したクラスレート化合物を粉砕して粒状にした後、アルミナ坩堝に入れた。このアルミナ坩堝をチャンバー内に配置した。チャンバー内の圧力が1.5気圧となるようにチャンバー内にアルゴンガスを約0.5L/分で導入しながら、アルミナ坩堝を加熱して、クラスレート化合物を1112℃に加熱して溶融させた。溶融してから1時間経過後に、種結晶として先端にSiを備えたシャフトを、30rpmで回転させながら溶融液の液面に接触させた。そして、クラスレート化合物を1079℃まで降温させながら、シャフトを5mm/時の速度で引き上げた。このようにして、図13に示すような釣鐘形状を有するクラスレート化合物の単結晶を作製した。図13の上方が、チョクラルスキー法の引き上げ方向である。
<Preparation of single crystal by Czochralski method>
The prepared clathrate compound was pulverized and granulated, and then placed in an alumina crucible. This alumina crucible was placed in the chamber. The alumina crucible was heated while argon gas was introduced into the chamber at a rate of about 0.5 L / min so that the pressure in the chamber was 1.5 atm, and the clathrate compound was heated to 1112 ° C. to be melted. . One hour after the melting, a shaft provided with Si as a seed crystal was brought into contact with the surface of the melt while rotating at 30 rpm. Then, while lowering the clathrate compound to 1079 ° C., the shaft was pulled up at a speed of 5 mm / hour. In this way, a single crystal of clathrate compound having a bell shape as shown in FIG. 13 was produced. The upper part of FIG. 13 is the pulling direction of the Czochralski method.

<単結晶の評価>
図13に示すように、単結晶の上方から下方に向かってほぼ同じサイズに切断して、No.1〜7の7つのサンプルを得た。また、単結晶の上下方向に沿って切断して、チョクラルスキー法の引き上げ方向を長手方向とする平板状のNo.8のサンプルを得た。電子線マイクロアナライザ(EPMA−1200(WDX))を用いて、No.1〜7のサンプルの元素分析を行った。このとき、フィラメント電圧は15kVに、フィラメント電流は10nAにそれぞれ設定した。元素分析の測定値を、クラスレート化合物の組成比に換算した。表2に組成比を示す。
<Evaluation of single crystal>
As shown in FIG. 13, the single crystal was cut into almost the same size from the top to the bottom. Seven samples of 1-7 were obtained. In addition, it is cut along the vertical direction of the single crystal, and the plate-like No. 1 is formed with the pulling direction of the Czochralski method as the longitudinal direction. Eight samples were obtained. Using an electron beam microanalyzer (EPMA-1200 (WDX)), No. Elemental analysis of samples 1-7 was performed. At this time, the filament voltage was set to 15 kV and the filament current was set to 10 nA. The measured value of elemental analysis was converted into the composition ratio of the clathrate compound. Table 2 shows the composition ratio.

表2に示すとおり、単結晶の上部よりも下部の方が、Auの濃度が高く、且つAu/Baの値も高くなっていた。次に、No.4のサンプルを粉末にして、粉末X線解析法によって結晶構造解析を行った。具体的には、X線回折装置(RINT−2100)を用いて測定したピークと、Crystal Diffract 4.1.2を用いて算出した理論値のピークとを対比した。理論値のピークを算出するにあたっては、シミュレーションモデルとしてBaSi46の6cサイトをAuで置換させたBaAuSi40を用い、格子定数として実測値で求めた10.41(Å)を用いた。X線回析の測定条件の詳細は表3のとおりである。X線回折の測定結果を図14(A)に、シミュレーションによる理論値の結果を図14(B)に示す。As shown in Table 2, the concentration of Au was higher and the value of Au / Ba was higher in the lower part than in the upper part of the single crystal. Next, no. Sample 4 was made into powder, and crystal structure analysis was performed by powder X-ray analysis. Specifically, the peak measured using an X-ray diffractometer (RINT-2100) was compared with the peak of the theoretical value calculated using Crystal Diffract 4.1.2. In calculating the theoretical peak, Ba 8 Au 6 Si 40 in which the 6c site of Ba 8 Si 46 is replaced with Au is used as a simulation model, and 10.41 (Å) obtained as an actual measurement value as a lattice constant is calculated. Using. The details of the X-ray diffraction measurement conditions are shown in Table 3. FIG. 14A shows the measurement result of X-ray diffraction, and FIG. 14B shows the result of the theoretical value by simulation.

図14(A)と図14(B)とを対比すると、測定結果と理論値とのピークの位置が一致することが確認された。このことから、サンプルの結晶構造はクラスレート構造であることが確認された。   Comparing FIG. 14A and FIG. 14B, it was confirmed that the peak positions of the measurement result and the theoretical value coincided. From this, it was confirmed that the crystal structure of the sample was a clathrate structure.

次に、サンプルNo.1〜No.7のゼーベック効果を調べた。具体的には、各サンプルの長手方向(チョクラルスキー法の引き上げ方向と垂直方向)の両端部に導線を接続し、両端部間の温度差を20℃に維持しながら、昇温してゼーベック係数S(μV/K)の温度依存性を調べた。各サンプルについて、低温側と高温側の平均温度が500℃に到達するまでのゼーベック係数Sの変化を図15に示す。図15に示す結果から、No.1〜No.6のサンプルのゼーベック係数Sは負の値であり、No.7のサンプルのゼーベック係数Sは正の値であった。すなわち、No.1〜No.6のサンプルはn型半導体であり、No.7のサンプルはp型半導体であった。このことから、No.6とNo.7のサンプルの境界部分がpn接合部であり、当該境界部分に真性半導体部が形成されていることが分かる。   Next, sample no. 1-No. The Seebeck effect of 7 was investigated. Specifically, a lead wire is connected to both ends of each sample in the longitudinal direction (perpendicular to the pulling direction of the Czochralski method), and the temperature is increased while maintaining the temperature difference between both ends at 20 ° C. Seebeck The temperature dependence of the coefficient S (μV / K) was examined. FIG. 15 shows the change in Seebeck coefficient S until the average temperature on the low temperature side and the high temperature side reaches 500 ° C. for each sample. From the results shown in FIG. 1-No. The Seebeck coefficient S of the sample No. 6 is a negative value. The Seebeck coefficient S of the sample of 7 was a positive value. That is, no. 1-No. Sample 6 is an n-type semiconductor. Sample 7 was a p-type semiconductor. From this, No. 6 and no. It can be seen that the boundary portion of the sample No. 7 is a pn junction, and an intrinsic semiconductor portion is formed at the boundary portion.

さらに、図15の結果によれば、No.1〜6のサンプルのゼーベック係数Sの絶対値は、昇温の当初に増加し、所定の温度で減少に転じている。そして、増加から減少に転じる温度は、サンプル番号が大きくなるにつれて低下している。このことは、pn接合部、すなわち真性半導体部に近づくほど、バンドギャップが小さくなることを示している。   Further, according to the result of FIG. The absolute value of the Seebeck coefficient S of the samples 1 to 6 increased at the beginning of the temperature increase and turned to decrease at the predetermined temperature. The temperature at which the increase starts to decrease decreases as the sample number increases. This indicates that the closer to the pn junction, that is, the intrinsic semiconductor portion, the smaller the band gap.

n型半導体部を構成するNo.1〜6のAu/Baは、0.59〜0.61(平均値:0.60)であり、p型半導体部を構成するNo.7のAu/Baは、0.63(平均値:0.63)であった。真性半導体部に相当するNo.6とNo.7のサンプルの境界部分のAu/Baは、0.61〜0.63の中間値である0.62である。このことから、Au/Baは、p型半導体部において最も高く、n型半導体部において最も低く、真性半導体部はp型半導体部とn型半導体部との間であることが確認された。   No. constituting the n-type semiconductor portion. Au / Ba of 1 to 6 is 0.59 to 0.61 (average value: 0.60), and No. 1 constituting the p-type semiconductor portion. The Au / Ba of No. 7 was 0.63 (average value: 0.63). No. corresponding to the intrinsic semiconductor part. 6 and no. The Au / Ba at the boundary portion of the sample No. 7 is 0.62, which is an intermediate value between 0.61 and 0.63. From this, it was confirmed that Au / Ba is the highest in the p-type semiconductor portion and lowest in the n-type semiconductor portion, and the intrinsic semiconductor portion is between the p-type semiconductor portion and the n-type semiconductor portion.

次に、No.8のサンプルの起電力を測定した。具体的には、No.8のサンプルの長手方向(チョクラルスキー法の引き上げ方向)の両端部に、それぞれ導線を接続し、加熱して両端部の間の電位差を測定した。このとき、両端部に温度が生じないようにしながら加熱して電位差を測定した。測定結果を図16に示す。図16に示すとおり、両端の間に温度差がないにもかかわらず、所定の温度以上に加熱することによって、電位差が生じることが確認された。   Next, no. The electromotive force of 8 samples was measured. Specifically, no. Conductive wires were connected to both ends of the sample 8 in the longitudinal direction (the pulling direction of the Czochralski method), heated, and the potential difference between the ends was measured. At this time, the potential difference was measured by heating while preventing temperature from occurring at both ends. The measurement results are shown in FIG. As shown in FIG. 16, it was confirmed that a potential difference was generated by heating to a predetermined temperature or higher even though there was no temperature difference between both ends.

このように、昇温によって電位差が大きくなるのは、熱エネルギーの増加によって、バンドギャップが小さいpn接合部において励起できる電子及びホールが増えるためであると考えられる。すなわち、半導体単結晶10は、所定の温度範囲で、pn接合部の真性半導体部でのみ価電子帯から伝導帯へと電子が励起し、伝導帯へ移動した電子はエネルギーの低いn型半導体部側に移動する。一方、pn接合部の真性半導体部で価電子帯に生じたホールはp型半導体部側へと移動する。このキャリアの偏りによって、No.8のサンプルはp型半導体部を正極、n型半導体部を負極とした発電材料になる。   Thus, it is considered that the potential difference increases as the temperature rises because the number of electrons and holes that can be excited in the pn junction having a small band gap increases due to the increase in thermal energy. That is, the semiconductor single crystal 10 is an n-type semiconductor part in which electrons are excited from the valence band to the conduction band only in the intrinsic semiconductor part of the pn junction in a predetermined temperature range, and the electrons transferred to the conduction band have low energy. Move to the side. On the other hand, holes generated in the valence band in the intrinsic semiconductor portion of the pn junction move to the p-type semiconductor portion side. Due to the bias of this carrier, No. Sample 8 is a power generation material having a p-type semiconductor portion as a positive electrode and an n-type semiconductor portion as a negative electrode.

一方、No.8のサンプルの温度が所定温度(図16では約390℃)を超えると電位差が減少し始めるのは、pn接合部のみならずp型半導体部及びn型半導体部でも電子及びホールの熱励起が生じて、p型半導体部とn型半導体部のバンドのエネルギー差が縮小することに起因しているものと考えられる。したがって、昇温し続けると、半導体単結晶10の全体が真性領域に達し、電位差は得られなくなると考えられる。   On the other hand, no. When the temperature of the sample No. 8 exceeds a predetermined temperature (about 390 ° C. in FIG. 16), the potential difference begins to decrease because of thermal excitation of electrons and holes not only in the pn junction but also in the p-type semiconductor and n-type semiconductor. This is considered to be caused by the reduction in the energy difference between the bands of the p-type semiconductor portion and the n-type semiconductor portion. Therefore, it is considered that if the temperature is continuously raised, the entire semiconductor single crystal 10 reaches the intrinsic region, and a potential difference cannot be obtained.

念のため、No.8のサンプルを長手方向の向きが逆になるように反転して、逆方向の起電力を同様にして測定した。その結果を図17に示す。図17に示すとおり、正負が逆になったこと以外は図17に示す結果と同様の結果が得られた。これらの結果から、No.14のサンプルは、両端の間に温度差がなくても、加熱によって電位差が発生することが確認された。   Just in case, no. Eight samples were inverted so that the direction of the longitudinal direction was reversed, and the electromotive force in the reverse direction was measured in the same manner. The result is shown in FIG. As shown in FIG. 17, the same result as that shown in FIG. 17 was obtained except that the sign was reversed. From these results, no. It was confirmed that the 14 samples generated a potential difference by heating even if there was no temperature difference between the two ends.

(実施例2)
市販のBa粉末、Au粉末、及びSi粉末を、Ba:Au:Si=8:8:38(モル比)となるように秤量してCuモールドに入れたこと以外は、実施例1と同様にしてアーク溶融を行ってクラスレート化合物(BaAuSi38)を調製した。調製したクラスレート化合物を用いて、実施例1と同様にして、チョクラルスキー法によって、図18に示すような釣鐘形状を有するクラスレート化合物の単結晶を作製した。図18の上方が、チョクラルスキー法の引き上げ方向である。
(Example 2)
Except that commercially available Ba powder, Au powder, and Si powder were weighed so as to be Ba: Au: Si = 8: 8: 38 (molar ratio) and placed in a Cu mold, the same as Example 1 was performed. The clathrate compound (Ba 8 Au 8 Si 38 ) was prepared by performing arc melting. A single crystal of a clathrate compound having a bell shape as shown in FIG. 18 was produced by the Czochralski method using the prepared clathrate compound in the same manner as in Example 1. The upper part of FIG. 18 is the pulling direction of the Czochralski method.

図18に示すように、単結晶の上方から下方に向かってほぼ同じサイズに切断して、No.1〜11の11個のサンプルを得た。また、単結晶の上下方向に沿って切断して、チョクラルスキー法の引き上げ方向を長手方向とする平板状のNo.12のサンプルを得た。実施例1と同様にして、No.1〜No.11のサンプルの元素分析を行った。元素分析の測定値を、クラスレート化合物の組成比に換算した。表4に組成比を示す。   As shown in FIG. 18, the single crystal was cut into approximately the same size from the top to the bottom. Eleven samples from 1 to 11 were obtained. In addition, it is cut along the vertical direction of the single crystal, and the plate-like No. 1 is formed with the pulling direction of the Czochralski method as the longitudinal direction. 12 samples were obtained. In the same manner as in Example 1, no. 1-No. Eleven samples were subjected to elemental analysis. The measured value of elemental analysis was converted into the composition ratio of the clathrate compound. Table 4 shows the composition ratio.

表4に示すとおり、単結晶の上部よりも下部の方が、Auの濃度が高く、且つAu/Baの値も大きくなっていた。次に、No.4のサンプルを粉末にして、実施例1と同様に結晶構造解析を行った。理論値のピークを算出には、シミュレーションモデルとしてBaSi46の6cサイトをAuで置換させたBaAuSi38を用い、格子定数として実測値で求めた10.41(Å)を用いた。X線回折装置の測定結果を図19(A)に、シミュレーションによる理論値の結果を図19(B)に示す。As shown in Table 4, the concentration of Au was higher and the value of Au / Ba was larger in the lower part than in the upper part of the single crystal. Next, no. Sample 4 was powdered and crystal structure analysis was performed in the same manner as in Example 1. Use the calculation of the peak of theory, using the Ba 8 Au 6 Si 38 to the 6c site of Ba 8 Si 46 was replaced with Au as a simulation model, 10.41 obtained in the actual measurement values as the lattice constant a (Å) It was. FIG. 19A shows the measurement result of the X-ray diffractometer, and FIG. 19B shows the result of the theoretical value by simulation.

図19(A)と図19(B)とを対比すると、測定結果と理論値とのピークの位置が一致することが確認された。このことから、サンプルの結晶構造はクラスレート構造であることが確認された。次に、サンプルNo.2〜No.10のゼーベック効果を調べた。具体的には、各サンプルの長手方向(チョクラルスキー法の引き上げ方向と垂直方向)の両端部に導線を接続し、両端部間の温度差を20℃に維持しながら、昇温してゼーベック係数S(μV/K)の温度依存性を調べた。各サンプルについて、低温側の端部の温度を500℃まで昇温したときのゼーベック係数Sの変化を図20及び図21に示す。   Comparison of FIG. 19A and FIG. 19B confirmed that the peak positions of the measurement result and the theoretical value coincided. From this, it was confirmed that the crystal structure of the sample was a clathrate structure. Next, sample no. 2-No. Ten Seebeck effects were examined. Specifically, a lead wire is connected to both ends of each sample in the longitudinal direction (perpendicular to the pulling direction of the Czochralski method), and the temperature is increased while maintaining a temperature difference between both ends at 20 ° C. The temperature dependence of the coefficient S (μV / K) was examined. For each sample, the change in Seebeck coefficient S when the temperature at the end on the low temperature side is raised to 500 ° C. is shown in FIGS.

図20に示すとおり、No.2〜5のサンプルのゼーベック係数Sは負の値であり、n型半導体であった。一方、図21に示すとおり、No.6〜11のサンプルのゼーベック係数Sは正の値であり、p型半導体であった。このことから、No.5とNo.6のサンプルの境界部分がpn接合部であり、当該境界部分に真性半導体部が形成されていることが分かる。   As shown in FIG. The Seebeck coefficient S of samples 2 to 5 was a negative value and was an n-type semiconductor. On the other hand, as shown in FIG. The Seebeck coefficient S of samples 6 to 11 was a positive value and was a p-type semiconductor. From this, No. 5 and no. It can be seen that the boundary portion of the sample No. 6 is a pn junction, and an intrinsic semiconductor portion is formed at the boundary portion.

n型半導体部を構成するNo.2〜5のAu/Baは、0.62〜0.63(平均値:0.63)であり、p型半導体部を構成するNo.6〜11のAu/Baは、0.66〜0.69(平均値:0.68)であった。真性半導体部に相当するNo.5とNo.6のサンプルの境界部分のAu/Baは、0.64〜0.66の中間値である0.65である。このことから、Au/Baは、p型半導体部において最も高く、n型半導体部において最も低く、真性半導体部はp型半導体部とn型半導体部との間であることが確認された。   No. constituting the n-type semiconductor portion. The Au / Ba of 2 to 5 is 0.62 to 0.63 (average value: 0.63), and No. 2 constituting the p-type semiconductor portion. Au / Ba of 6-11 was 0.66-0.69 (average value: 0.68). No. corresponding to the intrinsic semiconductor part. 5 and no. The Au / Ba at the boundary portion of the 6 samples is 0.65, which is an intermediate value between 0.64 and 0.66. From this, it was confirmed that Au / Ba is the highest in the p-type semiconductor portion and lowest in the n-type semiconductor portion, and the intrinsic semiconductor portion is between the p-type semiconductor portion and the n-type semiconductor portion.

さらに、図20及び図21の結果によれば、No.2〜5及びNo.7〜11のサンプルのゼーベック係数Sの絶対値は、昇温の当初に増加し、所定の温度で減少に転じることが確認された。No.6のサンプルは、常温にピークがあるため、昇温開始から一貫してゼーベック係数Sの絶対値が下がり続けていると考えられる。したがって、ゼーベック係数Sの絶対値が増加から減少に転じる温度は、No.2〜5のサンプルではサンプル番号が大きくなるにつれて低下し、No.6〜11のサンプルではサンプル番号が小さくなるにつれて低下しているといえる。このことは、No.5とNo.6のサンプルの境界部分に真性半導体部に近づくほど、バンドギャップが小さくなることを示している。   Furthermore, according to the results of FIGS. 2-5 and no. It was confirmed that the absolute values of the Seebeck coefficient S of the samples 7 to 11 increased at the beginning of the temperature increase and started to decrease at a predetermined temperature. No. The sample No. 6 has a peak at room temperature, and therefore, it is considered that the absolute value of the Seebeck coefficient S continues to decrease from the start of temperature increase. Therefore, the temperature at which the absolute value of the Seebeck coefficient S turns from increasing to decreasing is No. In samples 2 to 5, the sample number decreased as the sample number increased. In the samples 6 to 11, it can be said that the sample number decreases as the sample number decreases. This is no. 5 and no. 6 shows that the closer to the intrinsic semiconductor portion to the boundary portion of the 6 samples, the smaller the band gap.

次に、No.12のサンプルの起電力を測定した。具体的には、No.12のサンプルの長手方向(チョクラルスキー法の引き上げ方向)の両端部に、それぞれ導線を接続し、加熱して両端部の間に生じる電位差を測定した。このとき、両端部に温度差が生じないようにしながら加熱して電位差を測定した。測定結果を図22に示す。図22に示すとおり、両端の間に温度差がないにもかかわらず、所定の温度以上に加熱することによって、電位差が生じることが確認された。   Next, no. The electromotive force of 12 samples was measured. Specifically, no. Conductive wires were connected to both ends of the twelve samples in the longitudinal direction (the pulling direction of the Czochralski method), respectively, and the potential difference generated between both ends was measured by heating. At this time, the potential difference was measured by heating while preventing a temperature difference between both ends. The measurement results are shown in FIG. As shown in FIG. 22, it was confirmed that a potential difference was generated by heating to a predetermined temperature or higher even though there was no temperature difference between both ends.

この結果からも、No.12のサンプルはp型半導体部を正極、n型半導体部を負極とする発電材料になることが確認された。すなわち、No.12のサンプルは、両端の間に温度差がなくても、加熱によって電位差が発生することから、有用な発電材料であることが確認された。   From this result, no. 12 samples were confirmed to be power generation materials having a p-type semiconductor portion as a positive electrode and an n-type semiconductor portion as a negative electrode. That is, no. Twelve samples were confirmed to be useful power generation materials because a potential difference was generated by heating even if there was no temperature difference between both ends.

(実施例3)
市販のBa粉末、Au粉末、及びSi粉末を、Ba:Au:Si=8:8:38(モル比)となるように秤量してCuモールドに入れたこと以外は、実施例1と同様にしてアーク溶融を行ってクラスレート化合物(BaAuSi38)を調製した。調製したクラスレート化合物を用いて、実施例1と同様にして、チョクラルスキー法によって、図23に示すような形状を有するクラスレート化合物の単結晶を作製した。図23の上方が、チョクラルスキー法の引き上げ方向である。
(Example 3)
Except that commercially available Ba powder, Au powder, and Si powder were weighed so as to be Ba: Au: Si = 8: 8: 38 (molar ratio) and placed in a Cu mold, the same as Example 1 was performed. The clathrate compound (Ba 8 Au 8 Si 38 ) was prepared by performing arc melting. Using the prepared clathrate compound, a single crystal of a clathrate compound having a shape as shown in FIG. 23 was produced by the Czochralski method in the same manner as in Example 1. The upper part of FIG. 23 is the pulling direction of the Czochralski method.

図23に示すように、単結晶の上方から下方に向かってほぼ同じサイズに切断して、No.13〜16の4個のサンプルを得た。また、単結晶の上下方向に沿って切断して、チョクラルスキー法の引き上げ方向を長手方向とする平板状のNo.17のサンプルを得た。実施例1と同様にして、No.13〜No.16のサンプルの元素分析を行った。元素分析の測定値を、クラスレート化合物の組成比に換算した。表5に組成比を示す。   As shown in FIG. 23, the single crystal was cut into approximately the same size from the top to the bottom. Four samples of 13-16 were obtained. In addition, it is cut along the vertical direction of the single crystal, and the plate-like No. 1 is formed with the pulling direction of the Czochralski method as the longitudinal direction. Seventeen samples were obtained. In the same manner as in Example 1, no. 13-No. Elemental analysis of 16 samples was performed. The measured value of elemental analysis was converted into the composition ratio of the clathrate compound. Table 5 shows the composition ratio.

表5に示すとおり、単結晶の上部よりも下部の方が、Auの濃度が高く、且つAu/Baの値も大きくなっていた。次に、No.13〜No.16のサンプルのゼーベック効果を調べた。具体的には、各サンプルの長手方向(チョクラルスキー法の引き上げ方向と垂直方向)の両端部に導線を接続し、両端部間の温度差を20℃に維持しながら、昇温してゼーベック係数S(μV/K)の温度依存性を調べた。各サンプルを昇温したときのゼーベック係数Sの変化を図24に示す。   As shown in Table 5, the concentration of Au was higher and the value of Au / Ba was larger in the lower part than in the upper part of the single crystal. Next, no. 13-No. Sixteen samples were examined for Seebeck effect. Specifically, a lead wire is connected to both ends of each sample in the longitudinal direction (perpendicular to the pulling direction of the Czochralski method), and the temperature is increased while maintaining a temperature difference between both ends at 20 ° C. The temperature dependence of the coefficient S (μV / K) was examined. FIG. 24 shows the change in Seebeck coefficient S when each sample is heated.

図24に示すとおり、No.13,14のサンプルのゼーベック係数Sは負の値であり、n型半導体であった。No.15のサンプルのゼーベック係数は、負の値〜0の範囲にあった。No.16のサンプルのゼーベック係数Sは正の値であり、p型半導体であった。このことから、No.15とNo.16のサンプルの境界部分がpn接合部であり、当該境界部分に真性半導体部が形成されていると考えられる。   As shown in FIG. The Seebeck coefficient S of samples 13 and 14 was a negative value and was an n-type semiconductor. No. The Seebeck coefficient of the 15 samples was in the range of negative values to 0. No. The Seebeck coefficient S of 16 samples was a positive value and was a p-type semiconductor. From this, No. 15 and No. The boundary part of 16 samples is a pn junction part, and it is thought that the intrinsic semiconductor part is formed in the boundary part.

n型半導体部を構成するNo.13,14のAu/Baは、0.63であり、p型半導体部を構成するNo.16のAu/Baは、0.65であった。真性半導体部に相当するNo.15とNo.16のサンプルの境界部分のAu/Baは、0.63〜0.65の中間値である0.64である。このことから、Au/Baは、p型半導体部において最も高く、n型半導体部において最も低く、真性半導体部はp型半導体部とn型半導体部との間であることが確認された。   No. constituting the n-type semiconductor portion. The Au / Ba of Nos. 13 and 14 is 0.63, and No. constituting the p-type semiconductor portion. 16 Au / Ba was 0.65. No. corresponding to the intrinsic semiconductor part. 15 and No. Au / Ba at the boundary portion of the 16 samples is 0.64, which is an intermediate value between 0.63 and 0.65. From this, it was confirmed that Au / Ba is the highest in the p-type semiconductor portion and lowest in the n-type semiconductor portion, and the intrinsic semiconductor portion is between the p-type semiconductor portion and the n-type semiconductor portion.

さらに、図24の結果によれば、No.13,14,15,16のサンプルのゼーベック係数Sの絶対値は、昇温の当初に増加し、所定の温度で減少に転じることが確認された。No.15のサンプルは、常温にピークがあるため、昇温開始から一貫してゼーベック係数Sの絶対値が下がり続けていると考えられる。したがって、ゼーベック係数Sの絶対値が増加から減少に転じる温度は、No.13,14のサンプルではサンプル番号が大きくなるにつれて低下し、No.15,16のサンプルではサンプル番号が小さくなるにつれて低下しているといえる。このことは、No.15に近づくほど、バンドギャップが小さくなることを示している。   Furthermore, according to the result of FIG. It was confirmed that the absolute values of the Seebeck coefficient S of the samples 13, 14, 15, and 16 increased at the beginning of the temperature increase and started to decrease at a predetermined temperature. No. Since the sample No. 15 has a peak at normal temperature, it is considered that the absolute value of the Seebeck coefficient S continues to decrease consistently from the start of temperature increase. Therefore, the temperature at which the absolute value of the Seebeck coefficient S turns from increasing to decreasing is No. In samples 13 and 14, the sample number decreased as the sample number increased. In samples 15 and 16, it can be said that the sample number decreases as the sample number decreases. This is no. The closer to 15, the smaller the band gap.

次に、No.17のサンプルの起電力を測定した。図25は、起電力の測定方法を説明する図である。No.17のサンプルの端部17aは、No.13のサンプルの上端側(No.14側とは反対側の端部)の組成を有する。一方、No.17のサンプルの端部17bは、No.15とNo.16のサンプルの境界部分の組成を有する。すなわち、No.17のサンプルは、端部17a側にn型半導体部と、端部17b側に真性半導体部とを備える半導体単結晶である。   Next, no. The electromotive force of 17 samples was measured. FIG. 25 is a diagram for explaining an electromotive force measurement method. No. The end 17a of the sample No. 17 is No. 13 samples have the composition of the upper end side (the end opposite to the No. 14 side). On the other hand, no. The end 17b of the sample No. 17 is 15 and No. It has a composition of 16 sample boundaries. That is, no. The sample 17 is a semiconductor single crystal including an n-type semiconductor portion on the end portion 17a side and an intrinsic semiconductor portion on the end portion 17b side.

図25に示すように、No.17のサンプルの長手方向(チョクラルスキー法の引き上げ方向)の両端部に、それぞれ導線を接続し、加熱して両端部の間に生じる電位差を測定した。このとき、両端部に温度差が生じないようにしながら加熱して電位差を測定した。測定結果を図26に示す。図26に示すとおり、両端の間に温度差がないにもかかわらず、加熱することによって、電位差が生じることが確認された。この結果からも、No.17のサンプルは、真性半導体部を正極、n型半導体部を負極とする発電材料になることが確認された。   As shown in FIG. Conductive wires were connected to both ends in the longitudinal direction of 17 samples (the pulling direction of the Czochralski method), respectively, and the potential difference generated between both ends was measured by heating. At this time, the potential difference was measured by heating while preventing a temperature difference between both ends. The measurement results are shown in FIG. As shown in FIG. 26, it was confirmed that a potential difference was generated by heating even though there was no temperature difference between both ends. From this result, no. It was confirmed that the sample 17 was a power generation material having the intrinsic semiconductor portion as the positive electrode and the n-type semiconductor portion as the negative electrode.

No.17のサンプルの温度が所定温度(図26では約450℃)を超えると電位差の絶対値が減少し始めるのは、真性半導体部のみならず、n型半導体部でも電子及びホールの熱励起が生じて、真性半導体部とn型半導体部のバンドのエネルギー差が縮小することに起因しているものと考えられる。したがって、昇温し続けると、半導体単結晶の全体が真性領域に達し、電位差は得られなくなると考えられる。   No. When the temperature of the sample 17 exceeds a predetermined temperature (about 450 ° C. in FIG. 26), the absolute value of the potential difference starts to decrease not only in the intrinsic semiconductor portion but also in the n-type semiconductor portion due to thermal excitation of electrons and holes. This is considered to be due to the reduction in the energy difference between the bands of the intrinsic semiconductor portion and the n-type semiconductor portion. Therefore, it is considered that when the temperature continues to rise, the entire semiconductor single crystal reaches the intrinsic region, and a potential difference cannot be obtained.

(実施例4)
市販のBa粉末、Cu粉末、及びSi粉末を、Ba:Cu:Si=8:6:40(モル比)となるように秤量してCuモールドに入れたこと以外は、実施例1と同様にしてアーク溶融を行ってクラスレート化合物(BaCuSi40)を調製した。調製したクラスレート化合物を用いて、実施例1と同様にして、チョクラルスキー法によって、図27に示すような形状を有するクラスレート化合物の単結晶を作製した。図27の上方が、チョクラルスキー法の引き上げ方向である。
Example 4
Except that the commercially available Ba powder, Cu powder, and Si powder were weighed so as to be Ba: Cu: Si = 8: 6: 40 (molar ratio) and put in a Cu mold, the same as in Example 1. The clathrate compound (Ba 8 Cu 6 Si 40 ) was prepared by performing arc melting. A single crystal of a clathrate compound having a shape as shown in FIG. 27 was produced by the Czochralski method using the prepared clathrate compound in the same manner as in Example 1. The upper part of FIG. 27 is the pulling direction of the Czochralski method.

図27に示すように、単結晶の上方から下方に向かってほぼ同じサイズに切断して、No.18〜22の5個のサンプルを得た。また、単結晶の上下方向に沿って切断して、チョクラルスキー法の引き上げ方向を長手方向とする平板状のNo.23のサンプルを得た。実施例1と同様にして、No.18〜No.22のサンプルの元素分析を行った。元素分析の測定値を、クラスレート化合物の組成比に換算した。表6に組成比を示す。   As shown in FIG. 27, the single crystal was cut into almost the same size from the top to the bottom. Five samples of 18-22 were obtained. In addition, it is cut along the vertical direction of the single crystal, and the plate-like No. 1 is formed with the pulling direction of the Czochralski method as the longitudinal direction. 23 samples were obtained. In the same manner as in Example 1, no. 18-No. Elemental analysis of 22 samples was performed. The measured value of elemental analysis was converted into the composition ratio of the clathrate compound. Table 6 shows the composition ratio.

表6に示すとおり、単結晶の上部よりも下部の方が、Cuの濃度が高く、且つCu/Baの値も大きい傾向にあった。次に、サンプルNo.18〜No.22のゼーベック効果を調べた。具体的には、各サンプルの長手方向(チョクラルスキー法の引き上げ方向と垂直方向)の両端部に導線を接続し、両端部間の温度差を20℃に維持しながら、昇温してゼーベック係数S(μV/K)の温度依存性を調べた。各サンプルについて、低温側の端部の温度を700℃まで昇温したときのゼーベック係数Sの変化を図28に示す。   As shown in Table 6, the lower portion of the single crystal had a higher Cu concentration and a higher Cu / Ba value. Next, sample no. 18-No. 22 Seebeck effects were examined. Specifically, a lead wire is connected to both ends of each sample in the longitudinal direction (perpendicular to the pulling direction of the Czochralski method), and the temperature is increased while maintaining a temperature difference between both ends at 20 ° C. The temperature dependence of the coefficient S (μV / K) was examined. FIG. 28 shows the change in the Seebeck coefficient S when the temperature at the end on the low temperature side is raised to 700 ° C. for each sample.

図28に示すとおり、No.18〜22のサンプルのゼーベック係数Sは負の値であり、n型半導体であった。上端部に相当するNo.18のCu/Baは0.57であり、下端部に相当するNo.22のCu/Baは0.58であった。このことから、Cu/Baは、上端部よりも下端部の方が大きいことが確認された。   As shown in FIG. The Seebeck coefficient S of samples 18 to 22 was a negative value and was an n-type semiconductor. No. corresponding to the upper end. The Cu / Ba of No. 18 is 0.57. The Cu / Ba of 22 was 0.58. From this, it was confirmed that Cu / Ba is larger at the lower end than at the upper end.

次に、No.23のサンプルの起電力を測定した。具体的には、No.23のサンプルの長手方向(チョクラルスキー法の引き上げ方向)の両端部に、それぞれ導線を接続し、加熱して両端部の間に生じる電位差を測定した。このとき、両端部に温度差が生じないようにしながら加熱して電位差を測定した。測定結果を図29に示す。図29に示すとおり、両端の間に温度差がないにもかかわらず、所定の温度以上に加熱することによって、電位差が生じることが確認された。   Next, no. The electromotive force of 23 samples was measured. Specifically, no. Conductive wires were connected to both ends of the 23 samples in the longitudinal direction (the pulling direction of the Czochralski method), and the potential difference generated between the ends was measured by heating. At this time, the potential difference was measured by heating while preventing a temperature difference between both ends. The measurement results are shown in FIG. As shown in FIG. 29, it was confirmed that a potential difference was generated by heating to a predetermined temperature or higher despite no temperature difference between both ends.

図28に示す結果によれば、No.18〜22のサンプルは全てn型半導体であった。したがって、No.23のサンプルは、n型半導体のみからなる半導体単結晶である。そして、図29に示すとおり、No.23のサンプルは両端の間に温度差がなくても、加熱によって電位差が発生した。このことから、No.23のサンプルは、一方の端部が他方の端部よりも小さいバンドギャップを有することが確認された。したがって、No.23のサンプルは、一方の端部を正極、他方の電極を負極とする発電材料である。   According to the result shown in FIG. Samples 18 to 22 were all n-type semiconductors. Therefore, no. The sample 23 is a semiconductor single crystal made only of an n-type semiconductor. As shown in FIG. In the sample No. 23, even when there was no temperature difference between both ends, a potential difference was generated by heating. From this, No. The 23 samples were confirmed to have a smaller band gap at one end than at the other end. Therefore, no. Sample No. 23 is a power generation material having one end as a positive electrode and the other electrode as a negative electrode.

本発明によれば、各半導体部の間に温度差がなくても、所定の温度範囲で発電をすることが可能な半導体単結晶を提供することができる。また、このような半導体単結晶を用いることによって、所定の温度範囲で効率よく発電することが可能な発電方法を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, even if there is no temperature difference between each semiconductor part, the semiconductor single crystal which can generate electric power in a predetermined temperature range can be provided. In addition, by using such a semiconductor single crystal, it is possible to provide a power generation method capable of efficiently generating power in a predetermined temperature range.

10,10a,10b,10c,10d…半導体単結晶、12…n型半導体部(n型半導体)、14…p型半導体部(p型半導体)、16…真性半導体部。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10, 10a, 10b, 10c, 10d ... Semiconductor single crystal, 12 ... n-type semiconductor part (n-type semiconductor), 14 ... p-type semiconductor part (p-type semiconductor), 16 ... intrinsic semiconductor part.

Claims (16)

n型半導体部とp型半導体部とこれらの間に真性半導体部とを有し、
前記真性半導体部が、前記n型半導体部及び前記p型半導体部よりも小さいバンドギャップを有する半導体単結晶。
an n-type semiconductor portion, a p-type semiconductor portion, and an intrinsic semiconductor portion between them;
A semiconductor single crystal in which the intrinsic semiconductor portion has a smaller band gap than the n-type semiconductor portion and the p-type semiconductor portion.
少なくとも一種の元素の濃度が、前記p型半導体部、前記真性半導体部、及び前記n型半導体部の順に高い、請求項1に記載の半導体単結晶。   2. The semiconductor single crystal according to claim 1, wherein the concentration of at least one element is higher in the order of the p-type semiconductor portion, the intrinsic semiconductor portion, and the n-type semiconductor portion. 下記式(I)で表わされるクラスレート化合物を含む、請求項1又は2に記載の半導体単結晶。
46−y (I)
(式中、Aは、Ba,Na,Sr及びKからなる群から選ばれる少なくとも一種の元素を示し、Bは、Au,Ag,Cu,Ni及びAlからなる群から選ばれる少なくとも一種の元素を示し、Cは、Si,Ge及びSnからなる群から選ばれる少なくとも一種の元素を示す。xは7〜8であり、yは3.5〜6又は11〜17であり、y/xは、前記p型半導体部、前記真性半導体部、及び前記n型半導体部の順に高い。)
The semiconductor single crystal of Claim 1 or 2 containing the clathrate compound represented by following formula (I).
A x B y C 46-y (I)
(In the formula, A represents at least one element selected from the group consisting of Ba, Na, Sr and K, and B represents at least one element selected from the group consisting of Au, Ag, Cu, Ni and Al) C represents at least one element selected from the group consisting of Si, Ge and Sn, x is 7 to 8, y is 3.5 to 6 or 11 to 17, and y / x is (The order is higher in the order of the p-type semiconductor portion, the intrinsic semiconductor portion, and the n-type semiconductor portion.)
下記式(II)で表わされるクラスレート化合物を含む、請求項1又は2に記載の半導体単結晶。
BaAuSi46−y (II)
(式中、xは7〜8であり、yは3.5〜6であり、y/xは、前記p型半導体部、前記真性半導体部、及び前記n型半導体部の順に高い。)
The semiconductor single crystal of Claim 1 or 2 containing the clathrate compound represented by following formula (II).
Ba x Au y Si 46-y (II)
(Wherein x is 7 to 8, y is 3.5 to 6, and y / x is higher in the order of the p-type semiconductor portion, the intrinsic semiconductor portion, and the n-type semiconductor portion).
n型半導体部又はp型半導体部からなる第1の半導体部を有し、
前記第1の半導体部における一方の端部と他方の端部のバンドギャップが異なる半導体単結晶。
a first semiconductor part comprising an n-type semiconductor part or a p-type semiconductor part;
A semiconductor single crystal in which one end portion and the other end portion of the first semiconductor portion are different in band gap.
下記式(I)で表わされるクラスレート化合物を含む、請求項5に記載の半導体単結晶。
46−y (I)
(式中、Aは、Ba,Na,Sr及びKからなる群から選ばれる少なくとも一種の元素を示し、Bは、Au,Ag,Cu,Ni及びAlからなる群から選ばれる少なくとも一種の元素を示し、Cは、Si,Ge及びSnからなる群から選ばれる少なくとも一種の元素を示す。前記第1の半導体部が前記n型半導体部からなる場合、xは7〜8であり、yは3.5〜5.5又は11〜16である。前記第1の半導体部が前記p型半導体部からなる場合、xは7〜8であり、yは5.3〜6又は16〜17である。y/xは、一方の端部と他方の端部において異なる。)
The semiconductor single crystal of Claim 5 containing the clathrate compound represented by following formula (I).
A x B y C 46-y (I)
(In the formula, A represents at least one element selected from the group consisting of Ba, Na, Sr and K, and B represents at least one element selected from the group consisting of Au, Ag, Cu, Ni and Al) C represents at least one element selected from the group consisting of Si, Ge, and Sn, and when the first semiconductor portion is the n-type semiconductor portion, x is 7 to 8 and y is 3 5 to 5.5 or 11 to 16. When the first semiconductor portion is the p-type semiconductor portion, x is 7 to 8 and y is 5.3 to 6 or 16 to 17. Y / x is different at one end and the other end.)
下記式(II)で表わされるクラスレート化合物を含む、請求項5に記載の半導体単結晶。
BaAuSi46−y (II)
(式中、前記第1の半導体部が前記n型半導体部からなる場合、xは7〜8であり、yは3.5〜5.5又は11〜16である。前記第1の半導体部が前記p型半導体部からなる場合、xは7〜8であり、yは5.3〜6又は16〜17である。y/xは、一方の端部と他方の端部において異なる。)
The semiconductor single crystal of Claim 5 containing the clathrate compound represented by following formula (II).
Ba x Au y Si 46-y (II)
(In the formula, when the first semiconductor part is composed of the n-type semiconductor part, x is 7 to 8, and y is 3.5 to 5.5 or 11 to 16. The first semiconductor part. Is composed of the p-type semiconductor portion, x is 7 to 8, and y is 5.3 to 6 or 16 to 17. y / x is different at one end and the other end.)
前記第1の半導体部に隣り合うように真性半導体部からなる第2の半導体部を有し、
前記第2の半導体部が、前記第1の半導体部よりも小さいバンドギャップを有する、請求項5〜7のいずれか一項に記載の半導体単結晶。
A second semiconductor part composed of an intrinsic semiconductor part adjacent to the first semiconductor part;
The semiconductor single crystal according to claim 5, wherein the second semiconductor part has a smaller band gap than the first semiconductor part.
前記第1の半導体部及び前記第2の半導体部は、下記式(I)で表わされるクラスレート化合物を含む、請求項8に記載の半導体単結晶。
46−y (I)
(式中、Aは、Ba,Na,Sr及びKからなる群から選ばれる少なくとも一種の元素を示し、Bは、Au,Ag,Cu,Ni及びAlからなる群から選ばれる少なくとも一種の元素を示し、Cは、Si,Ge及びSnからなる群から選ばれる少なくとも一種の元素を示す。前記第1の半導体部がn型半導体部からなる場合、xは7〜8、yは3.5〜5.5又は11〜16であり、y/xは前記真性半導体部の方が前記n型半導体部よりも高い。前記第1の半導体部がp型半導体部からなる場合、xは7〜8、yは5.3〜6又は16〜17であり、y/xは前記p型半導体部の方が前記真性半導体部よりも高い。)
The semiconductor single crystal according to claim 8, wherein the first semiconductor part and the second semiconductor part contain a clathrate compound represented by the following formula (I).
A x B y C 46-y (I)
(In the formula, A represents at least one element selected from the group consisting of Ba, Na, Sr and K, and B represents at least one element selected from the group consisting of Au, Ag, Cu, Ni and Al) C represents at least one element selected from the group consisting of Si, Ge, and Sn, and when the first semiconductor portion is an n-type semiconductor portion, x is 7 to 8, and y is 3.5 to 5.5 or 11 to 16, and y / x is higher in the intrinsic semiconductor part than in the n-type semiconductor part, and when the first semiconductor part is composed of a p-type semiconductor part, x is 7 to 8 Y is 5.3 to 6 or 16 to 17, and y / x is higher in the p-type semiconductor part than in the intrinsic semiconductor part.)
前記第1の半導体部及び前記第2の半導体部は、下記式(II)で表わされるクラスレート化合物を含む、請求項8に記載の半導体単結晶。
BaAuSi46−y (II)
(式中、前記第1の半導体部がn型半導体部からなる場合、xは7〜8、yは3.5〜5.5又は11〜16であり、y/xは、前記真性半導体部の方が前記n型半導体部よりも高い。前記第1の半導体部がp型半導体部からなる場合、xは7〜8、yは5.3〜6又は16〜17であり、y/xは前記p型半導体部の方が前記真性半導体部よりも高い。)
The semiconductor single crystal according to claim 8, wherein the first semiconductor portion and the second semiconductor portion include a clathrate compound represented by the following formula (II).
Ba x Au y Si 46-y (II)
(In the formula, when the first semiconductor portion is an n-type semiconductor portion, x is 7 to 8, y is 3.5 to 5.5, or 11 to 16, and y / x is the intrinsic semiconductor portion. When the first semiconductor part is a p-type semiconductor part, x is 7 to 8, y is 5.3 to 6 or 16 to 17, and y / x (The p-type semiconductor portion is higher than the intrinsic semiconductor portion.)
400℃における両端部の間の電位差の絶対値が0.3mV以上である、請求項1〜10のいずれか一項に記載の半導体単結晶。   The semiconductor single crystal according to any one of claims 1 to 10, wherein an absolute value of a potential difference between both ends at 400 ° C is 0.3 mV or more. n型半導体部とp型半導体部とこれらの間に真性半導体部とを有する半導体単結晶であって、
下記式(I)で表わされるクラスレート化合物を含む半導体単結晶。
46−y (I)
(式中、Aは、Ba,Na,Sr及びKからなる群から選ばれる少なくとも一種の元素を示し、Bは、Au,Ag,Cu,Ni及びAlからなる群から選ばれる少なくとも一種の元素を示し、Cは、Si,Ge及びSnからなる群から選ばれる少なくとも一種の元素を示す。xは7〜8であり、yは3.5〜6又は11〜17であり、y/xは、前記p型半導体部、前記真性半導体部、及び前記n型半導体部の順に高い。)
a semiconductor single crystal having an n-type semiconductor portion, a p-type semiconductor portion, and an intrinsic semiconductor portion therebetween,
A semiconductor single crystal comprising a clathrate compound represented by the following formula (I).
A x B y C 46-y (I)
(In the formula, A represents at least one element selected from the group consisting of Ba, Na, Sr and K, and B represents at least one element selected from the group consisting of Au, Ag, Cu, Ni and Al) C represents at least one element selected from the group consisting of Si, Ge and Sn, x is 7 to 8, y is 3.5 to 6 or 11 to 17, and y / x is (The order is higher in the order of the p-type semiconductor portion, the intrinsic semiconductor portion, and the n-type semiconductor portion.)
n型半導体部又はp型半導体部からなる第1の半導体部を有し、
下記式(I)で表わされるクラスレート化合物を含む半導体単結晶。
46−y (I)
(式中、Aは、Ba,Na,Sr及びKからなる群から選ばれる少なくとも一種の元素を示し、Bは、Au,Ag,Cu,Ni及びAlからなる群から選ばれる少なくとも一種の元素を示し、Cは、Si,Ge及びSnからなる群から選ばれる少なくとも一種の元素を示す。前記第1の半導体部が前記n型半導体からなる場合、xは7〜8であり、yは3.5〜5.5又は11〜16である。前記第1の半導体部が前記p型半導体からなる場合、xは7〜8であり、yは5.3〜6又は16〜17である。y/xは、前記半導体単結晶の一方の端部と他方の端部において異なる。)
a first semiconductor part comprising an n-type semiconductor part or a p-type semiconductor part;
A semiconductor single crystal comprising a clathrate compound represented by the following formula (I).
A x B y C 46-y (I)
(In the formula, A represents at least one element selected from the group consisting of Ba, Na, Sr and K, and B represents at least one element selected from the group consisting of Au, Ag, Cu, Ni and Al) C represents at least one element selected from the group consisting of Si, Ge, and Sn, and when the first semiconductor portion is made of the n-type semiconductor, x is 7 to 8, and y is 3. 5 to 5.5 or 11 to 16. When the first semiconductor portion is made of the p-type semiconductor, x is 7 to 8, and y is 5.3 to 6 or 16 to 17. / X is different at one end and the other end of the semiconductor single crystal.)
前記第1の半導体部に隣り合うように真性半導体部からなる第2の半導体部を有し、前記真性半導体部が前記式(I)で表わされるクラスレート化合物を含み、
前記第1の半導体部が前記n型半導体部からなる場合、y/xは前記真性半導体部の方が前記n型半導体部よりも高く、
前記第1の半導体部が前記p型半導体部からなる場合、y/xは前記p型半導体部の方が前記真性半導体部よりも高い、請求項13に記載の半導体単結晶。
A second semiconductor portion made of an intrinsic semiconductor portion so as to be adjacent to the first semiconductor portion, wherein the intrinsic semiconductor portion includes a clathrate compound represented by the formula (I);
When the first semiconductor part is composed of the n-type semiconductor part, y / x is higher in the intrinsic semiconductor part than in the n-type semiconductor part,
14. The semiconductor single crystal according to claim 13, wherein when the first semiconductor part is composed of the p-type semiconductor part, y / x is higher in the p-type semiconductor part than in the intrinsic semiconductor part.
前記クラスレート化合物は式(II)で表される化合物である、請求項12〜14のいずれか一項に記載の半導体単結晶。
BaAuSi46−y (II)
(式中、xは7〜8であり、yは3.5〜6である。)
The semiconductor single crystal according to claim 12, wherein the clathrate compound is a compound represented by the formula (II).
Ba x Au y Si 46-y (II)
(In the formula, x is 7 to 8, and y is 3.5 to 6.)
請求項1〜15のいずれか一項に記載の半導体単結晶を加熱して発電する発電方法。   A power generation method for generating power by heating the semiconductor single crystal according to any one of claims 1 to 15.
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