KR20200058293A - 열전 변환 소자, 열전 변환 시스템, 열전 변환 소자의 발전 방법 및 열전 변환 시스템의 발전 방법 - Google Patents

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KR20200058293A
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가즈히로 스기모토
신지 무네토
오사무 후루키미
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도요타 지도샤（주）
고쿠리쓰다이가쿠호진 규슈다이가쿠
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Abstract

열전 변환 소자 (100, 200, 300) 는, p 형 반도체 (10) 와, n 형 반도체 (20) 와, 상기 p 형 반도체 (10) 및 n 형 반도체 (20) 의 pn 접합 계면에 위치하는 공핍층 (30) 을 포함한다. 상기 p 형 반도체 (10) 및 n 형 반도체 (20) 중 적어도 일방은, 축퇴 반도체이다.

Description

열전 변환 소자, 열전 변환 시스템, 열전 변환 소자의 발전 방법 및 열전 변환 시스템의 발전 방법{THERMOELECTRIC CONVERSION ELEMENT, THERMOELECTRIC CONVERSION SYSTEM, POWER GENERATION METHOD OF THERMOELECTRIC CONVERSION ELEMENT, AND POWER GENERATION METHOD OF THERMOELECTRIC CONVERSION SYSTEM}
본 발명은 열전 변환 소자, 열전 변환 시스템, 열전 변환 소자의 발전 방법 및 열전 변환 시스템의 발전 방법에 관한 것이다.
자동차 및 항공기 등의 내연 기관에서는, 화석 연료의 연소에 의해 얻어진 에너지를 이용하고 있다. 현상황에서 내연 기관의 에너지 효율은, 약 30 ％ 에 불과하며, 대부분은 열 에너지로서 방출되고 있다. 이 열 에너지를 유효 이용하기 위해, 제벡 효과를 이용한 여러 가지 열전 재료가 연구되고 있다.
이와 같은 제벡 효과를 이용한 열전 재료는, 온도차에 기초하는 기전력의 차이를 이용하여 발전을 실시하는 것이지만, 이와 같은 열전 재료를 사용하여 발전 모듈을 조립한 경우, 열 전도 등에 의해 온도차가 작아져, 발전량이 저하되는 것이 우려된다. 이 때문에, 온도차를 유지하기 위한 냉각 장치 등이 필요하게 되어, 모듈이 복잡화된다.
이에 대해, 국제 공개 제2015/125823 에서는, 각 반도체부의 사이에 온도차가 없어도 발전할 수 있는 반도체 단결정을 제안하고 있다. 이 국제 공개 제2015/125823 의 반도체 단결정에서는, n 형 반도체부와 p 형 반도체부와 이것들의 사이에 진성 반도체부를 가지며, 또한 진성 반도체부가, n 형 반도체부 및 p 형 반도체부보다 작은 밴드갭을 갖는다고 하고 있다. 또, 국제 공개 제2015/125823 에서는, 구체적인 반도체 단결정으로서, 초크랄스키법 등의 결정 성장법을 이용하여 제조한 BaxAuySi46-y 등의 클라스레이트 화합물을 예시하고 있다.
상기와 같이, 국제 공개 제2015/125823 에서는, 각 반도체부의 사이에 온도차가 없어도 발전할 수 있는 반도체 단결정을 제안하고 있고, 또 이와 같은 반도체 단결정으로서, 초크랄스키법 등의 결정 성장법으로 제조된 BaxAuySi46-y 등의 클라스레이트 화합물을 예시하고 있다.
본 발명에서는, 열전 변환 소자는, 온도차가 없어도 발전할 수 있고, 또 저가의 재료로 또한/또는 용이하게 제조할 수 있다.
본건 발명자들은, 상기 과제에 대해 검토한 결과, 하기 본 발명에 생각이 이르렀다.
본 발명의 제 1 양태는, 열전 변환 소자이다. 상기 열전 변환 소자는, p 형 반도체와, n 형 반도체와, 상기 p 형 반도체 및 n 형 반도체의 pn 접합 계면에 위치하는 공핍층을 포함한다. 상기 p 형 반도체 및 n 형 반도체 중 적어도 일방은, 축퇴 반도체이다.
상기 구성에 의하면, 열전 변환 소자는, 온도차가 없어도 발전할 수 있고, 또 저가의 재료로 또한/또는 용이하게 제조할 수 있다.
상기 열전 변환 소자에 있어서, 상기 p 형 반도체 및 n 형 반도체의 양방이 축퇴 반도체여도 된다.
상기 열전 변환 소자에 있어서, 상기 p 형 반도체, 상기 n 형 반도체, 및 상기 공핍층을 구성하는 재료 자체의 밴드갭이 대략 동일해도 된다.
상기 열전 변환 소자에 있어서, 상기 p 형 반도체는, p 형 도펀트로 도프된 실리콘이어도 되고, 또한 상기 n 형 반도체는, n 형 도펀트로 도프된 실리콘이어도 된다.
상기 열전 변환 소자에 있어서, 상기 p 형 도펀트는, 붕소, 알루미늄, 갈륨, 인듐, 팔라듐, 및 상기 붕소, 상기 알루미늄, 상기 갈륨, 상기 인듐, 상기 팔라듐 중 2 개 이상을 조합한 것으로 이루어지는 군에서 선택되어도 되고, 또한 상기 n 형 도펀트는, 인, 안티몬, 비소, 티탄, 및 상기 인, 상기 안티몬, 상기 비소, 상기 티탄 중 2 개 이상을 조합한 것으로 이루어지는 군에서 선택되어도 된다.
상기 열전 변환 소자에 있어서, 상기 p 형 반도체는, 상기 p 형 도펀트로서의 상기 붕소로 도프된 실리콘이어도 되고, 또한 상기 n 형 반도체는, 상기 n 형 도펀트로서의 상기 인으로 도프된 실리콘이어도 된다.
본 발명의 제 2 양태는, 열전 변환 시스템이다. 열전 변환 시스템은, 2 개 또는 그것보다 많이, 전기적으로 직렬로 접속되는 열전 변환 소자를 포함한다. 상기 열전 변환 소자는, p 형 반도체와, n 형 반도체와, 상기 p 형 반도체 및 n 형 반도체의 pn 접합 계면에 위치하는 공핍층을 포함한다. 상기 p 형 반도체 및 n 형 반도체 중 적어도 일방은, 축퇴 반도체이다.
본 발명의 제 3 양태는, 열전 변환 소자의 발전 방법이다. 상기 열전 변환 소자는, p 형 반도체와, n 형 반도체와, 상기 p 형 반도체 및 n 형 반도체의 pn 접합 계면에 위치하는 공핍층을 포함한다. 상기 p 형 반도체 및 n 형 반도체 중 적어도 일방은, 축퇴 반도체이다. 상기 발전 방법은 상기 열전 변환 소자를 100 ℃ 이상의 온도로 가열하여, 발전을 실시하는 것을 포함한다.
본 발명의 제 4 양태는, 열전 변환 시스템의 발전 방법이다. 상기 열전 변환 시스템은, 2 개 또는 그것보다 많이, 전기적으로 직렬로 접속되는 열전 변환 소자를 포함한다. 상기 열전 변환 소자는, p 형 반도체와, n 형 반도체와, 상기 p 형 반도체 및 n 형 반도체의 pn 접합 계면에 위치하는 공핍층을 포함한다. 상기 p 형 반도체 및 n 형 반도체 중 적어도 일방은, 축퇴 반도체이다. 상기 발전 방법은 상기 열전 변환 시스템을 100 ℃ 이상의 온도로 가열하여, 발전을 실시하는 것을 포함한다.
상기 구성에 의하면, 열전 변환 소자는, 온도차가 없어도 발전할 수 있고, 또 저가의 재료로 또한/또는 용이하게 제조할 수 있다.
본 발명의 예시적인 실시형태들의 특징들, 장점들, 그리고 기술적 및 산업적 중요성은 첨부되는 도면들을 참조하여 이하에서 설명될 것이고, 동일한 도면 부호들은 동일한 엘리먼트들을 나타낸다.
도 1 은, 본 발명의 열전 변환 소자의 하나의 양태를 나타내는 도면이다.
도 2 는, 본 발명의 열전 변환 소자의 다른 하나의 양태를 나타내는 도면이다.
도 3 은, 본 발명의 열전 변환 소자의 다른 하나의 양태를 나타내는 도면이다.
도 4 는, p 형 및 n 형 반도체부 모두가 축퇴 반도체가 아닌, 관련 기술의 반도체 소자를 나타내는 도면이다.
도 5 는, 본 발명의 열전 변환 시스템의 하나의 양태를 나타내는 도면이다.
도 6 은, 본 발명의 열전 변환 시스템의 다른 하나의 양태를 나타내는 도면이다.
도 7 은, 실시예의 열전 변환 소자의 주위 온도와 기전력의 관계를 나타내는 도면이다.
도 8 은, 실시예의 열전 변환 소자의 주위 온도마다의, 전압과 전류의 관계를 나타내는 도면이다.
도 9 는, 실시예의 열전 변환 소자의 주위 온도와 기전력의 관계를 나타내는 도면이다.
열전 변환 소자
상기와 같이, 국제 공개 제2015/125823 에서는, 각 반도체부의 사이에 온도차가 없어도 발전할 수 있는 반도체 단결정을 제안하고 있으며, 또 이와 같은 반도체 단결정으로서, 초크랄스키법 등의 결정 성장법으로 제조된 BaxAuySi46-y 등의 클라스레이트 화합물을 예시하고 있다.
이 국제 공개 제2015/125823 에서는, 이와 같은 반도체 단결정에서는, 각 반도체부의 사이의 진성 반도체부에 있어서의 밴드갭이, 0.4 eV 이하인 것이 바람직하다고 하고 있고, 또, 상기 클라스레이트 화합물을 구성하는 원소의 조성을 변화시킴으로써, 이와 같은 반도체 단결정의 밴드갭의 상태를, 이 국제 공개 제2015/125823 의 도 2, 도 7, 및 도 9 에서 나타내는 바와 같은 상태로 하고 있다.
구체적으로는, 국제 공개 제2015/125823 에서는, 각 반도체부의 사이의 진성 반도체부에 있어서의 밴드갭이, p 형 및 n 형 반도체부에 있어서의 밴드갭보다 작게 되어 있는 상태 (국제 공개 제2015/125823 의 도 2), 각 반도체부의 사이의 진성 반도체부에 있어서의 밴드갭이, n 형 반도체부에 있어서의 밴드갭보다 작게 되어 있는 상태 (국제 공개 제2015/125823 의 도 7), 각 반도체부의 사이의 진성 반도체부에 있어서의 밴드갭이, p 형 반도체부에 있어서의 밴드갭보다 작게 되어 있는 상태 (국제 공개 제2015/125823 의 도 9) 를 나타내고 있다.
이에 대해, 본 발명의 열전 변환 소자는, p 형 및 n 형 반도체부, 그리고 p 형 및 n 형 반도체부의 pn 접합 계면에 형성되어 있는 공핍층을 가지며, 또한 p 형 및 n 형 반도체부 중 적어도 일방, 바람직하게는 p 형 및 n 형 반도체부의 양방이 축퇴 반도체이다.
이와 같은 본 발명의 열전 변환 소자는, 온도차가 없어도 발전할 수 있다.
이론에 한정되는 것은 아니지만, 본 발명의 열전 변환 소자에 의해, 온도차가 없어도 발전할 수 있는 것은, p 형 및 n 형 반도체부, 그리고 p 형 및 n 형 반도체부의 pn 접합 계면에 형성되어 있는 공핍층을 가지며, 또한 p 형 및 n 형 반도체부 중 적어도 일방이 축퇴 반도체임으로써, 공핍층에 있어서의 밴드갭의 크기가, p 형 반도체부에 있어서 전자-정공쌍을 여기 (생성) 하기 위한 에너지의 크기, 및 n 형 반도체부에 있어서 전자-정공쌍을 여기 (생성) 하기 위한 에너지의 크기의 적어도 일방보다 작게 되어 있는 것에 의한 것으로 생각된다.
그 때문에, 소자 전체가 균일 온도에서 가열된 경우에도, 공핍층 (진성 반도체 부분) 에서의 전자 여기 확률이, 축퇴된 p 형 및 n 형 반도체부에서의 전자 여기 확률보다 커져, 공핍층의 캐리어 밀도가 상대적으로 커진다. 이와 같이 하여 공핍층에서 생성된 캐리어, 즉 전자 및 공공은, 에너지가 낮은 n 형 및 p 형 반도체측에 각각 확산되어 가게 된다. 이와 같이 공간적인 전하 분리가 일어남으로써, 전압이 발생한다.
구체적으로는 예를 들어, 본 발명의 열전 변환 소자에 있어서 p 형 및 n 형 반도체부의 양방이 축퇴 반도체인 경우, 도 1 의 하측 도면에서 나타내는 바와 같이, 공핍층 (30) 에 있어서의 밴드갭의 크기 (화살표 32 로 나타낸다) 를, p 형 반도체부 (10) 에 있어서 전자-정공쌍을 여기하기 위한 에너지의 크기 (화살표 14 로 나타낸다), 및 n 형 반도체부 (20) 에 있어서 전자-정공쌍을 여기하기 위한 에너지의 크기 (화살표 24 로 나타낸다) 보다 작게 할 수 있고, 그에 따라 본 발명의 열전 변환 소자에 의해, 온도차가 없어도 발전할 수 있는 것으로 생각된다.
여기서, 이 본 발명의 열전 변환 소자에서는, 도 1 에 나타내는 바와 같이, p 형 반도체부 (10), n 형 반도체부 (20), 및 공핍층 (30) 을 구성하는 재료 자체의 밴드갭의 크기는, 각각의 화살표 12, 22, 및 32 로 나타내는 바와 같이, 대략 동일하다. 그러나, 이 본 발명의 열전 변환 소자에서는, p 형 반도체부 (10) 및 n 형 반도체부 (20) 의 양방이 축퇴 반도체인 것, 즉 p 형 반도체부 (10) 에 있어서 페르미 준위 (50) 가 가전자 밴드 (70) 내에 있으며, 또한 n 형 반도체부 (20) 에 있어서 페르미 준위 (50) 가 전도 밴드 (80) 내에 있음으로써, p 형 반도체부 (10) 에 있어서 전자-정공쌍을 여기하기 위한 에너지의 크기 (화살표 14 로 나타낸다), 및 n 형 반도체부 (20) 에 있어서 전자-정공쌍을 여기하기 위한 에너지의 크기 (화살표 24 로 나타낸다) 를 크게 할 수 있다. 이로써, 본 발명의 열전 변환 소자에서는, 공핍층 (30) 에 있어서의 밴드갭의 크기 (화살표 32 로 나타낸다) 가, p 형 반도체부 (10) 에 있어서 전자-정공쌍을 여기하기 위한 에너지의 크기 (화살표 14 로 나타낸다), 및 n 형 반도체부 (20) 에 있어서 전자-정공쌍을 여기하기 위한 에너지의 크기 (화살표 24 로 나타낸다) 보다 작게 되어 있다.
동일하게 예를 들어, 본 발명의 열전 변환 소자에 있어서 p 형 반도체부 (10) 만이 축퇴 반도체인 경우, 즉 p 형 반도체부 (10) 에 있어서 페르미 준위 (50) 가 가전자 밴드 (70) 내에 있으며, 또한 n 형 반도체부 (20) 에 있어서 페르미 준위 (50) 가 밴드갭 내에 있는 경우, 도 2 의 하측 도면에서 나타내는 바와 같이, 공핍층 (30) 에 있어서의 밴드갭의 크기 (화살표 32 로 나타낸다) 를, p 형 반도체부 (10) 에 있어서 전자-정공쌍을 여기하기 위한 에너지의 크기 (화살표 14 로 나타낸다) 보다 작게 할 수 있고, 그에 따라 본 발명의 열전 변환 소자에 의해, 온도차가 없어도 발전할 수 있는 것으로 생각된다.
동일하게 예를 들어, 본 발명의 열전 변환 소자에 있어서 n 형 반도체부 (20) 만이 축퇴 반도체인 경우, 즉 p 형 반도체부 (10) 에 있어서 페르미 준위 (50) 가 밴드갭 내에 있으며, 또한 n 형 반도체부 (20) 에 있어서 페르미 준위 (50) 가 전도 밴드 (80) 내에 있는 경우, 도 3 의 하측 도면에서 나타내는 바와 같이, 공핍층 (30) 에 있어서의 밴드갭의 크기 (화살표 32 로 나타낸다) 를, n 형 반도체부 (20) 에 있어서 전자-정공쌍을 여기하기 위한 에너지의 크기 (화살표 24 로 나타낸다) 보다 작게 할 수 있고, 그에 따라 본 발명의 열전 변환 소자에 의해, 온도차가 없어도 발전할 수 있는 것으로 생각된다.
또한, 참고로, p 형 및 n 형 반도체부 모두가 축퇴 반도체가 아닌 반도체 소자 (400) 의 경우, 도 4 의 하측 도면에서 나타내는 바와 같이, 공핍층 (30) 에 있어서의 밴드갭의 크기 (화살표 32 로 나타낸다) 는, p 형 반도체부 (10) 및 n 형 반도체부 (20) 에 있어서 전자-정공쌍을 여기하기 위한 에너지의 크기, 즉 p 형 반도체부 (10) 및 n 형 반도체부 (20) 를 구성하는 재료의 밴드갭의 크기 (각각 화살표 12 및 22 로 나타낸다) 와 실질적으로 동일해진다.
본 발명의 열전 변환 소자에서는, p 형 반도체부, n 형 반도체부, 및 공핍층을 구성하는 재료 자체의 밴드갭이 대략 동일해도 된다.
따라서, 본 발명의 열전 변환 소자에서는, p 형 반도체부 (10), n 형 반도체부 (20), 및 공핍층 (30) 이 모두 동일한 반도체 재료, 예를 들어 실리콘 (밴드갭 : 약 1.2 eV) 으로 형성되어 있고, p 형 및 n 형 반도체부 (10, 20) 가 p 형 및 n 형의 도펀트로 도프되어 있어도 된다. 즉, 본 발명의 열전 변환 소자에서는, p 형 반도체부 (10) 가, p 형 도펀트로 도프된 실리콘이며, 또한 n 형 반도체부 (20) 가, n 형 도펀트로 도프된 실리콘이어도 된다.
이 p 형 도펀트는, 붕소, 알루미늄, 갈륨, 인듐, 팔라듐, 및 그것들 중 2 개 이상을 조합한 것으로 이루어지는 군에서 선택할 수 있고, 또 n 형 도펀트는, 인, 안티몬, 비소, 티탄, 및 그것들 중 2 개 이상을 조합한 것으로 이루어지는 군에서 선택할 수 있다.
바람직하게는, 본 발명의 열전 변환 소자에서는, p 형 반도체부가, p 형 도펀트로서의 붕소로 도프된 실리콘이며, 또한 n 형 반도체부가, n 형 도펀트로서의 인으로 도프된 실리콘이다.
본 발명의 열전 변환 소자는 임의의 방법으로 제조할 수 있고, 특히 반도체 기술 분야에서 공지된 방법에 의해 제조할 수 있다.
따라서 예를 들어, 본 발명의 열전 변환 소자는, p 형 도펀트에 의해 도프되어 있는 실리콘 분말, 및 n 형 도펀트에 의해 도프되어 있는 실리콘 분말을 제공하고, 그것들을 적층하여 퇴적시키고, 그리고 방전 플라즈마 소결 (SPS : Spark Plasma Sintering) 등의 소결 방법으로 소결하여 pn 접합을 형성함으로써 얻을 수 있다.
또, 예를 들어 본 발명의 열전 변환 소자는, p 형 도펀트에 의해 도프되어 있는 실리콘 기판에 n 형 도펀트를 확산시키는 것, 또는 n 형 도펀트에 의해 도프되어 있는 실리콘 기판에 p 형 도펀트를 확산시키는 것에 의해 얻을 수 있다.
열전 변환 시스템
본 발명의 열전 변환 시스템에서는, 본 발명의 열전 변환 소자가 2 또는 그것보다 많이, 전기적으로 직렬로 접속되어 있다.
본 발명의 열전 변환 시스템에 의하면, 본 발명의 열전 변환 소자가 2 또는 그것보다 많이, 전기적으로 직렬로 접속되어 있음으로써, 큰 전압의 전류를 얻을 수 있다. 단, 본 발명의 열전 변환 소자는, 2 또는 그것보다 많이, 전기적으로 병렬로 접속하여 사용할 수도 있다.
열전 변환 시스템에 있어서의 전기적인 직렬의 접속은, 임의의 양식으로 실시할 수 있으며, 예를 들어 도 5 에 나타내는 바와 같이, 열전 변환 시스템 (1000) 은, 본 발명의 열전 변환 소자 (100) 가 직접적으로 적층되어 있는 구성을 가질 수 있고, 또 도 6 에 나타내는 바와 같이, 열전 변환 시스템 (2000) 은, 본 발명의 열전 변환 소자 (100) 가 전극 (150) 및/또는 도전선 (160) 을 개재하여 직렬로 접속되어 있는 구성을 가질 수 있다.
발전 방법
본 발명의 발전 방법에서는, 본 발명의 열전 변환 소자, 또는 본 발명의 열전 변환 시스템을, 50 ℃ 이상의 온도로 가열하여, 발전을 실시시킨다.
이 온도가 높음으로써 큰 전압의 전력을 발생시킬 수 있고, 예를 들어 이 온도는, 100 ℃ 이상, 150 ℃ 이상, 200 ℃ 이상, 250 ℃ 이상, 300 ℃ 이상, 350 ℃ 이상, 400 ℃ 이상, 450 ℃ 이상, 또는 500 ℃ 이상이어도 된다. 또, 열전 변환 소자 또는 열전 변환 시스템의 열화를 억제하기 위해, 이 온도는, 1000 ℃ 이하, 950 ℃ 이하, 900 ℃ 이하, 850 ℃ 이하, 800 ℃ 이하, 750 ℃ 이하, 700 ℃ 이하, 650 ℃ 이하, 600 ℃ 이하, 550 ℃ 이하, 또는 500 ℃ 이하여도 된다.
또, 본 발명의 발전 방법으로 발전을 하기 위한 열원으로는, 내연 기관으로부터의 폐열, 모터로부터의 폐열, 배터리로부터의 폐열, 인버터로부터의 폐열, 공장으로부터의 폐열, 발전소로부터의 폐열 등을 이용할 수 있다.
자동차 등의 수송 수단에 있어서 본 발명의 발전 방법으로 발전을 실시하는 경우, 가솔린 또는 디젤 엔진과 같은 엔진, 전기 자동차 또는 하이브리드차용의 모터, 전기 자동차 또는 하이브리드차용의 배터리, 전기 자동차 또는 하이브리드차용의 인버터로부터의 폐열 등을 이용할 수 있다. 이것들의 경우에 있어서, 본 발명의 열전 변환 소자 또는 열전 변환 시스템은, 보닛, 벌크헤드, 언더보디, 엔진 오일 유로, 냉각수 유로 등에 배치할 수 있다.
열전 변환 소자의 제조
p 형 도펀트로서의 붕소에 의해 도프되어 있는 p 형 실리콘 (붕소 도프 농도 : 6.5 × 1019 ㎤, 비저항 : 1.7 mΩ·㎝), 및 n 형 도펀트로서의 인에 의해 도프되어 있는 n 형 실리콘 (인 도프 농도 : 7.4 × 1019 ㎤, 비저항 : 1.0 mΩ·㎝) 을, 각각 분쇄하여 분말상으로 하였다.
얻어진 p 형 실리콘 및 n 형 실리콘의 분말을, 방전 플라즈마 소결용 카본 다이 내에, 상부가 p 형 실리콘의 분말이며, 또한 하부가 n 형 실리콘의 분말이 되도록 하여 적층하고, 방전 플라즈마 소결을 실시하여, p 형 및 n 형 반도체부, 그리고 이들 p 형 및 n 형 반도체부의 pn 접합 계면에 형성되어 있는 공핍층을 갖는 소결체를 얻었다.
이 소결체로부터, pn 접합 계면을 포함하도록, 길이 10 ㎜, 폭 5 ㎜, 및 두께 1.5 ㎜ 의 시료를 잘라내고, 이것을 실시예의 열전 변환 소자로 하였다.
이 열전 변환 소자에 대해, 서멀 매핑에 의해 제벡 계수를 측정한 결과, p 형 반도체 부분에 있어서 －0.1275 μV/K 이고, n 형 반도체 부분에 있어서 0.1275 μV/K 이고, 그것들의 사이에서 제벡 계수가 연속적으로 변화되고 있었다.
열전 변환 소자에 의한 발전
상기와 같이 하여 얻은 실시예의 열전 변환 소자를, 실온 내지 500 ℃ 의 온도의 분위기에 배치하고, 각각의 온도에 있어서의 기전력을 측정하였다. 결과를 도 7 에 나타내고 있다. 또, 각각의 온도에 있어서의 전류와 전압의 관계를 측정하였다. 결과를 도 8 에 나타내고 있다.
실시예의 열전 변환 소자는, 도 7 및 8 로부터 분명한 바와 같이, 주위 온도의 상승에 수반하여 기전력을 발생시키고, 500 ℃ 의 온도에서는 약 6.0 mV 의 기전력을 발생시켰다.
또한, 이 실시예에서는, 분위기에 있어서의 온도의 불균일성 및 측정 장치에 의한 오차로 인한 본 실시예의 열전 변환 소자의 발열에 대한 영향을 확인하기 위해, 실시예의 열전 변환 소자의 p 형 반도체 부분과 n 형 반도체 부분을 반대로 하여 평가 장치에 장착하여, 즉 실시예의 열전 변환 소자를 반대로 하여 평가 장치에 장착하여 평가를 실시하였다. 그에 따르면, 어느 경우에도, 주위 온도의 상승에 수반하여 기전력을 발생시키고, 500 ℃ 의 온도에서는 약 6.0 mV 의 기전력을 발생시켰다. 따라서, 실시예의 열전 변환 소자에 의한 발전이, 분위기에 있어서의 온도의 불균일성, 측정 장치에 의한 오차 등에 의해 발생하고 있는 것은 아닌 것이 확인되었다.
상기와 같이, 실시예의 열전 변환 소자 1 개당의 기전력은 500 ℃ 의 온도에서 약 6.0 mV 이다. 이것은, 내부 저항을 고려하지 않는 경우, 실시예의 열전 변환 소자 10,000 개를 직렬로 접속함으로써, 60 V 의 기전력을 발생시킬 수 있는 것을 의미하고 있으며, 따라서 이 실시예의 열전 변환 소자의 유용성을 나타내고 있다.
또, 상기와 같이 하여 얻은 실시예의 열전 변환 소자를, 실온 내지 600 ℃ 의 온도의 분위기에 배치하고, 각각의 온도에 있어서의 기전력을 측정하였다. 결과를 도 7 에 나타내고 있다.
이 결과로부터는, 열전 변환 소자를, 500 ℃ 에서 600 ℃ 로 상승시켰을 때에는, 기전력이 더욱 커지고, 600 ℃ 의 온도에서는 약 12.0 mV 의 기전력을 발생시킨 것이 나타나 있다.

Claims (9)

  1. 열전 변환 소자 (100, 200, 300) 로서,
    p 형 반도체 (10) 와,
    n 형 반도체 (20) 와,
    상기 p 형 반도체 (10) 및 n 형 반도체 (20) 의 pn 접합 계면에 위치하는 공핍층 (30) 을 구비하고,
    상기 p 형 반도체 (10) 및 n 형 반도체 (20) 중 적어도 일방은, 축퇴 반도체인 것을 특징으로 하는 열전 변환 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 p 형 반도체 (10) 및 n 형 반도체 (20) 의 양방이 축퇴 반도체인 것을 특징으로 하는 열전 변환 소자.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 p 형 반도체 (10), 상기 n 형 반도체 (20), 및 상기 공핍층 (30) 을 구성하는 재료 자체의 밴드갭이 대략 동일한 것을 특징으로 하는 열전 변환 소자.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 p 형 반도체 (10) 는, p 형 도펀트로 도프된 실리콘이며, 또한 상기 n 형 반도체 (20) 는, n 형 도펀트로 도프된 실리콘인 것을 특징으로 하는 열전 변환 소자.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 p 형 도펀트는, 붕소, 알루미늄, 갈륨, 인듐, 팔라듐, 및 상기 붕소, 상기 알루미늄, 상기 갈륨, 상기 인듐, 상기 팔라듐 중 2 개 이상을 조합한 것으로 이루어지는 군에서 선택되며, 또한 상기 n 형 도펀트는, 인, 안티몬, 비소, 티탄, 및 상기 인, 상기 안티몬, 상기 비소, 상기 티탄 중 2 개 이상을 조합한 것으로 이루어지는 군에서 선택되는 것을 특징으로 하는 열전 변환 소자.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 p 형 반도체 (10) 는, 상기 p 형 도펀트로서의 상기 붕소로 도프된 실리콘이며, 또한 상기 n 형 반도체 (20) 는, 상기 n 형 도펀트로서의 상기 인으로 도프된 실리콘인 것을 특징으로 하는 열전 변환 소자.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 기재된 상기 열전 변환 소자 (100, 200, 300) 가 2 또는 그것보다 많이, 전기적으로 직렬로 접속되는 것을 특징으로 하는 열전 변환 시스템 (1000, 2000).
  8. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 기재된 상기 열전 변환 소자 (100, 200, 300) 를 100 ℃ 이상의 온도로 가열하여, 발전을 실시시키는 것을 특징으로 하는 열전 변환 소자 (100, 200, 300) 의 발전 방법.
  9. 제 7 항에 기재된 상기 열전 변환 시스템 (1000, 2000) 을 100 ℃ 이상의 온도로 가열하여, 발전을 실시시키는 것을 특징으로 하는 열전 변환 시스템 (1000, 2000) 의 발전 방법.
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