WO2014010454A1 - 熱電変換素子及びこれを用いた熱電変換材料 - Google Patents

熱電変換素子及びこれを用いた熱電変換材料 Download PDF

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依里 高橋
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Definitions

  • the present invention relates to a thermoelectric conversion element and a thermoelectric conversion material used for the element.
  • thermoelectric power generation can directly convert thermal energy into electric power, solar thermal power generation, geothermal power generation, etc. It is attracting attention because it can effectively utilize a large amount of unused thermal energy, such as hot water thermal power generation, exhaust heat from industrial furnaces and automobiles.
  • Thermoelectric power generation can directly convert thermal energy into electric power and does not require a moving part, so it has been put to practical use in wristwatches operating at body temperature, power supplies for remote areas, power supplies for space, and the like.
  • thermoelectric power generation uses a thermoelectric conversion material that can convert heat energy and electric energy to each other, and a thermoelectric conversion element (thermoelectric generation element) formed and processed.
  • thermoelectric conversion material that can convert heat energy and electric energy to each other
  • thermoelectric conversion element thermoelectric generation element
  • inorganic materials are currently in practical use as thermoelectric conversion materials.
  • these inorganic materials have problems that the material itself is expensive, contains harmful substances, and that the processing process for the thermoelectric conversion element is complicated. For this reason, research on organic thermoelectric conversion materials that can be manufactured at a relatively low cost and that can be easily processed such as film formation has been advanced.
  • Patent Documents 1 and 2 report thermoelectric conversion materials using carbon nanotubes.
  • An object of the present invention is to provide a thermoelectric conversion element having high electroconductivity and a thermoelectromotive force required for thermoelectric conversion and exhibiting excellent thermoelectric conversion performance, and a thermoelectric conversion material used for the element.
  • thermoelectric conversion element using an organic thermoelectric conversion material.
  • a composition containing a carbon nanotube (hereinafter sometimes referred to as CNT), a regiorandom polythiophene polymer, and a non-conjugated polymer has excellent CNT dispersibility and film formability.
  • CNT carbon nanotube
  • the present inventors have shown high thermoelectric conversion performance and found useful as a thermoelectric conversion material.
  • the thermoelectric conversion element using the said material was equipped with the thermoelectromotive force required for thermoelectric conversion with high electroconductivity, and showed the outstanding thermoelectric conversion performance.
  • the present invention has been made based on these findings.
  • thermoelectric conversion element using a thermoelectric conversion material containing a carbon nanotube and a non-conjugated polymer for a thermoelectric conversion layer.
  • thermoelectric conversion element (In the general formula (1), R represents an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms.)
  • ⁇ 2> The thermoelectric conversion element according to ⁇ 1>, wherein a ratio of a head-to-tail (HT) bond in the polythiophene polymer is less than 95%.
  • ⁇ 3> The thermoelectric conversion element according to ⁇ 1> or ⁇ 2>, wherein in general formula (1), R is an alkyl group having 4 to 12 carbon atoms.
  • thermoelectric conversion element according to any one of ⁇ 1> to ⁇ 4>, wherein in the general formula (1), R is a 2-ethylhexyl group.
  • concentration of a metal impurity containing at least one metal selected from Fe, Zn, and Ni contained in the polythiophene polymer is 1000 ppm or less.
  • the content of the carbon nanotube is 10 to 60% by mass, and the content ratio of the polythiophene polymer and the carbon nanotube is 1: 4 to mass basis.
  • thermoelectric conversion element according to any one of ⁇ 1> to ⁇ 6>, which is 4: 1.
  • thermoelectric conversion according to any one of ⁇ 1> to ⁇ 7> comprising a base material and a pair of electrodes on the base material, wherein the thermoelectric conversion layer is disposed between the electrodes. element.
  • thermoelectric conversion layer is disposed between the electrodes. element.
  • thermoelectric conversion material containing carbon nanotubes and a non-conjugated polymer ⁇ 10>
  • the thermoelectric conversion material according to ⁇ 9> comprising a solvent.
  • R represents an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms.
  • a numerical range represented by using “to” means a range including numerical values described before and after “to” as a lower limit value and an upper limit value.
  • the xxx group when the xxx group is referred to with respect to the substituent, the xxx group may have an arbitrary substituent.
  • the xxx group when there are a plurality of groups indicated by the same reference numerals, they may be the same or different.
  • thermoelectric conversion material of the present invention and the thermoelectric conversion element using the same have a high electroconductivity and a thermoelectromotive force required for thermoelectric conversion, and have excellent thermoelectric conversion performance.
  • thermoelectric conversion element of this invention It is a figure which shows typically an example of the thermoelectric conversion element of this invention.
  • the arrows in FIG. 1 indicate the direction of the temperature difference applied when the element is used.
  • the arrows in FIG. 2 indicate the direction of the temperature difference applied when the element is used.
  • thermoelectric conversion element of the present invention uses a thermoelectric conversion material containing a polythiophene polymer having a specific structure, a carbon nanotube, and a non-conjugated polymer in a thermoelectric conversion layer. First, the thermoelectric conversion material and its components used in the present invention will be described.
  • thermoelectric conversion material The thermoelectric conversion performance of the thermoelectric conversion material or the thermoelectric conversion element can be measured by a figure of merit ZT represented by the following formula (A).
  • ZT figure of merit
  • factors other than electrical conductivity greatly affect thermoelectric conversion performance, so it is actually unknown whether a material with high conductivity generally functions effectively as a thermoelectric conversion material. It is.
  • the thermoelectric conversion material of the present invention can realize high conductivity without lowering the thermoelectromotive force, and has high thermoelectric conversion performance sufficient for use as a thermoelectric conversion material, as demonstrated in Examples described later.
  • the carbon nanotube includes a single-walled CNT in which a single carbon film (graphene sheet) is wound in a cylindrical shape, a double-walled CNT in which two graphene sheets are wound in a concentric shape, and a plurality of graphenes There is a multilayer CNT in which sheets are wound concentrically.
  • single-walled CNTs, double-walled CNTs, and multilayered CNTs may be used alone, or two or more kinds may be used in combination.
  • Single-walled CNTs may be semiconducting or metallic, and both may be used in combination.
  • the CNT may contain a metal or the like, or may contain a molecule such as fullerene.
  • the thermoelectric conversion material of the present invention may contain nanocarbons such as carbon nanohorns, carbon nanocoils, and carbon nanobeads in addition to CNTs.
  • CNT can be produced by an arc discharge method, a chemical vapor deposition method (hereinafter referred to as a CVD method), a laser ablation method, or the like.
  • the CNT used in the present invention may be obtained by any method, but is preferably obtained by an arc discharge method and a CVD method.
  • a CVD method chemical vapor deposition method
  • fullerene, graphite, and amorphous carbon are produced as by-products at the same time, and catalytic metals such as nickel, iron, cobalt, and yttrium remain. In order to remove these impurities, purification is preferably performed.
  • the method for purifying CNTs is not particularly limited, but acid treatment with nitric acid, sulfuric acid, etc., and ultrasonic treatment are effective for removing impurities. In addition, it is more preferable to perform separation and removal using a filter from the viewpoint of improving purity.
  • CNT can be used as it is.
  • CNT since CNT is generally produced in a string shape, it may be cut into a desired length depending on the application.
  • CNTs can be cut into short fibers by acid treatment with nitric acid, sulfuric acid or the like, ultrasonic treatment, freeze pulverization method or the like.
  • not only cut CNTs but also CNTs produced in the form of short fibers in advance can be used in the same manner.
  • Such short fibrous CNTs for example, form a catalytic metal such as iron or cobalt on a substrate, and thermally decompose the carbon compound at 700 to 900 ° C.
  • the short fiber CNTs thus produced can be taken out by a method such as peeling off from the substrate.
  • the short fibrous CNTs can be obtained by supporting a catalytic metal on a porous support such as porous silicon or an anodic oxide film of alumina and growing the CNTs on the surface by the CVD method.
  • a catalytic metal on a porous support such as porous silicon or an anodic oxide film of alumina
  • the CVD method Using oriented molecules such as iron phthalocyanine containing a catalytic metal in the molecule as a raw material and producing CNTs on a substrate by performing CVD in an argon / hydrogen gas flow, producing oriented short fiber CNTs Can do.
  • short fiber CNTs oriented on the SiC single crystal surface can be obtained by an epitaxial growth method.
  • the average length of the CNTs used in the present invention is not particularly limited, but from the viewpoints of manufacturability, film formability, conductivity, etc., the average length of the CNTs is preferably 0.01 ⁇ m or more and 1000 ⁇ m or less. More preferably, it is 1 ⁇ m or more and 100 ⁇ m or less.
  • the diameter of the CNT used in the present invention is not particularly limited, but from the viewpoint of durability, transparency, film formability, conductivity, etc., the diameter of the CNT is preferably 0.4 nm or more and 100 nm or less, more preferably 50 nm. Hereinafter, it is more preferably 15 nm or less.
  • the content of CNT in the thermoelectric conversion material is preferably 10 to 60% by mass, more preferably 10 to 50% by mass, and particularly preferably 20 to 50% by mass in the total solid content.
  • the thermoelectric conversion material of the present invention is excellent in CNT dispersibility, and good film formability can be obtained even if the CNT content is high.
  • the polythiophene polymer used for the thermoelectric conversion material is a polymer having an alkyl-substituted thiophene structure represented by the following general formula (1) as a repeating unit and having a main chain composed of the repeating unit, and the polymer side chain R is a polymer. It is a polythiophene polymer having a regiorandom arrangement with respect to the main chain.
  • the polythiophene polymer has a conjugated molecular structure and functions as a conductive polymer.
  • R represents an alkyl group having 1 to 20 carbon atoms.
  • R may be a linear alkyl group or a branched alkyl group. Specifically, methyl, ethyl, propyl, butyl, pentyl, hexyl, heptyl, octyl, nonyl, decyl, undecyl, dodecyl, tridecyl, tetradecyl as linear alkyl groups Group, pentadecyl group, hexadecyl group, heptadecyl group, octadecyl group, nonadecyl group, eicosyl group, and branched alkyl groups such as isopropyl group, isobutyl group, s-butyl group, t-butyl group, 2-ethylhexyl group, 2- Examples thereof include a methylbutyl group, a 2-methylhexyl group,
  • R preferably has 4 to 12 carbon atoms. Further, R is preferably a branched alkyl group, more preferably a branched alkyl group having 4 to 12 carbon atoms, a 2-ethylhexyl group, a 2-methylbutyl group, a 2-methylhexyl group, a 2-ethyloctyl group. And more preferably a 2-ethylhexyl group. As shown in the examples described later, when a branched alkyl group is introduced into R, the solubility of the polythiophene polymer and the dispersibility of the CNT in the thermoelectric conversion material are improved, and good film formability is obtained. It is done.
  • the repeating unit represented by the general formula (1) Since the repeating unit represented by the general formula (1) has an asymmetric structure having an alkyl group R at the 3-position of the thiophene ring, the poly-alkyl-substituted thiophene obtained by polymerizing the repeating unit has a bond between repeating units. In this case, anisotropy occurs depending on the direction of bonding at the 2,5 positions of each thiophene ring. That is, the repeating unit represented by the general formula (1) is a compound in which the 2-positions of the thiophene ring are bonded to each other (HH conjugate: head-to-head), and a compound in which the 2-position and the 5-position are bonded (HT conjugate).
  • a polymer containing such a bonding mode other than HT bonding is referred to as regiorandom (positional irregularity (array)).
  • the proportion of these bonding modes contained in the polymer can be measured by nuclear magnetic resonance spectroscopy ( 1 H-NMR).
  • the regiorandom type in which the side chain R of the polymer takes a position irregular arrangement with respect to the polymer main chain is used.
  • the regiorandom type can be confirmed by measuring the HT (head to tail) bond ratio (%) with the total number of bonds being 100% in the bonds of the repeating units in the polymer.
  • the HT bond ratio is determined by analyzing the position of the chemical shift of the hydrogen atom on the carbon atom directly bonded to the thiophene ring in the R bonded to the thiophene ring by 1 H-NMR (range of 2 to 4 ppm). Can be determined.
  • a triplet signal is observed for a proton on a carbon atom directly connected to the thiophene ring, that is, a methylene proton
  • the methylene proton is A multiplet signal is observed on the higher magnetic field side than the signal corresponding to the HT conjugate, and the HT binding ratio can be determined by comparing the integrated values of these signals.
  • the value measured by this method is used as the HT bond ratio.
  • the ratio of HT bonds in the polythiophene polymer is preferably less than 95%, more preferably 90% or less, and particularly preferably 80% or less.
  • the lower limit of the HT bond ratio is not particularly limited, but 60% or more is practical.
  • Polythiophene compounds are known to affect the conductivity and other physical properties of polymers due to differences in the manner of bonding of constituent monomers.
  • the higher the ratio of HT bonds in a polythiophene compound the higher the planarity of the polymer main chain, and the easier it is to form a ⁇ - ⁇ stacking structure between polymers. It is preferred. For this reason, it has been common technical knowledge that it is preferable to use a regioregular polymer in order to improve physical properties such as conductivity.
  • 2005-268582 also aim to improve desired performance by selectively using a regioregular polythiophene compound.
  • the present invention is characterized by using a regiorandom polythiophene as an essential component of the composition instead of the regioregular type which is conventionally preferred.
  • a regiorandom polythiophene polymer together with CNT, the solubility of the polythiophene in the composition is improved and the dispersibility of CNT is also improved.
  • the number of repeating units represented by the general formula (1) is preferably about 4 to 2000.
  • the molecular weight is preferably 5000 to 250,000 in terms of weight average molecular weight, more preferably 10,000 to 200,000, and further preferably 15,000 to 170,000.
  • the weight average molecular weight can be measured by gel permeation chromatography (GPC).
  • the polythiophene polymer used in the present invention may be a commercially available product, or may be synthesized by polymerizing raw material monomers by oxidative polymerization with an oxidizing agent added.
  • the content of the polythiophene polymer in the thermoelectric conversion material is preferably 1 to 40% by mass, more preferably 5 to 40% by mass, and more preferably 5 to 30% by mass in the total solid content. Is more preferably 10 to 30% by mass.
  • the content ratio of the polythiophene polymer and CNT in the solid content of the thermoelectric conversion material is preferably in the range of 1: 4 to 4: 1 on a mass basis, and is 1: 4. More preferably within the range of ⁇ 3: 1.
  • thermoelectric conversion material excellent in both the solubility of the polythiophene polymer and the CNT dispersibility can be obtained.
  • a film property can be realized, which is preferable.
  • the impurity means a metal impurity containing at least one metal selected from Fe, Zn, and Ni.
  • the impurities may include metal elements and ions of Fe, Zn, and Ni, and compounds and complexes containing them.
  • the metal impurity may contain a metal other than Fe, Zn, and Ni.
  • the concentration of the metal impurity in the polythiophene polymer is 1000 ppm or less, the solubility of polythiophene in the composition is improved, which is preferable. More preferably, it is 900 ppm or less, More preferably, it is 800 ppm or less. It is preferable that the lower limit of the impurity concentration is not as low as possible, but it is practical that it is 200 ppm or more.
  • the concentration of the metal impurity in the polythiophene can be measured by ICP mass spectrometry (Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry) after thermally decomposing the polythiophene, and this measurement value is used in the present invention.
  • the non-conjugated polymer used for the thermoelectric conversion material is a polymer compound that does not exhibit conductivity due to the conjugated structure of the polymer main chain.
  • the polymer main chain is composed of a ring, a group, or an atom selected from an aromatic ring (carbocyclic aromatic ring, heteroaromatic ring), an ethynylene bond, an ethenylene bond, and a hetero atom having a lone pair. It is a polymer other than the polymer.
  • the type is not particularly limited as long as it is a non-conjugated polymer that satisfies such conditions, and a conventionally known non-conjugated polymer can be used.
  • a polymer compound obtained by polymerizing a compound selected from the group consisting of vinyl compounds, (meth) acrylate compounds, carbonate compounds, ester compounds, amide compounds, imide compounds, fluorine compounds and siloxane compounds is used.
  • vinyl compounds include styrene, vinyl pyrrolidone, vinyl carbazole, vinyl pyridine, vinyl naphthalene, vinyl phenol, vinyl acetate, styrene sulfonic acid, vinyl alcohol, vinyl triphenylamine and other vinyl arylamines, vinyl tributylamine.
  • Vinyltrialkylamines such as, and the like.
  • (meth) acrylate compounds include alkyl group-containing hydrophobic acrylates such as methyl acrylate, ethyl acrylate, propyl acrylate, and butyl acrylate, 2-hydroxyethyl acrylate, 1-hydroxyethyl acrylate, 2-hydroxypropyl acrylate, Acrylate monomers such as hydroxyl group-containing acrylates such as 3-hydroxypropyl acrylate, 1-hydroxypropyl acrylate, 4-hydroxybutyl acrylate, 3-hydroxybutyl acrylate, 2-hydroxybutyl acrylate, 1-hydroxybutyl acrylate, etc. And methacrylate monomers in which the acryloyl group is replaced with a methacryloyl group.
  • polymers obtained by polymerizing a carbonate compound include general-purpose polycarbonate composed of bisphenol A and phosgene, Iupizeta (trade name, manufactured by Mitsubishi Gas Chemical Co., Ltd.), Panlite (trade name, manufactured by Teijin Chemicals Ltd.), and the like. It is done.
  • ester compound include lactic acid.
  • polymers obtained by polymerizing ester compounds include Byron (trade name, manufactured by Toyobo Co., Ltd.) and the like.
  • polymers obtained by polymerizing amide compounds include PA-100 (trade name, manufactured by T & K TOKA Corporation).
  • polymer obtained by polymerizing an imide compound examples include Solpy 6,6-PI (trade name, manufactured by Solpy Kogyo Co., Ltd.).
  • fluorine compound examples include vinylidene fluoride and vinyl fluoride.
  • siloxane compound examples include diphenylsiloxane and phenylmethylsiloxane.
  • the non-conjugated polymer may be a homopolymer or a copolymer. In the present invention, it is more preferable to use a polymer compound obtained by polymerizing a vinyl compound as the non-conjugated polymer.
  • the content of the non-conjugated polymer in the thermoelectric conversion material is preferably 10 to 1500 parts by weight, more preferably 30 to 1200 parts by weight, with respect to 100 parts by weight of the polythiophene polymer. It is particularly preferable that it is in parts by mass.
  • the non-conjugated polymer is preferably hydrophobic and more preferably has no hydrophilic group such as sulfonic acid or hydroxyl group in the molecule. Further, a non-conjugated polymer having a solubility parameter (SP value) of 11 or less is preferable.
  • SP value solubility parameter
  • non-conjugated polymers having an SP value of 11 or less include polyvinyl compounds such as polystyrene, polyvinyl naphthalene, and polyvinyl acetate, poly (meth) acrylates such as polymethyl acrylate, ethyl acrylate, propyl acrylate, and butyl acrylate, polyester compounds, and polycarbonate. , Polyvinylidene fluoride and the like are preferable, and polystyrene, polyvinyl naphthalene, polymethyl acrylate, and polycarbonate are more preferable.
  • the total solid content concentration of the solid content concentrations of CNT, polythiophene polymer and non-conjugated polymer is preferably 3 to 20% by mass, and preferably 4 to 15% by mass. Is more preferable.
  • the thermoelectric conversion material of the present invention even when the solid content concentration in the material is high, the dispersibility of CNTs is excellent and good film formability is obtained.
  • thermoelectric conversion material of the present invention preferably contains a solvent in addition to the above-described CNT, polythiophene polymer and non-conjugated polymer.
  • the thermoelectric conversion material of the present invention is more preferably a CNT dispersion in which a polythiophene component is dissolved in a solvent and CNTs are dispersed.
  • the solvent should just be able to disperse
  • organic solvents such as alcohol, chloroform, aprotic polar solvents such as DMF, NMP, DMSO, chlorobenzene, dichlorobenzene, benzene, toluene, xylene, mesitylene, tetralin, tetramethylbenzene, pyridine
  • aromatic solvents such as cyclohexanone, ketone solvents such as acetone and methylethylkenton, ether solvents such as diethyl ether, THF, t-butyl methyl ether, dimethoxyethane and diglyme
  • halogen solvents such as chloroform.
  • aprotic polar solvents such as DMF and NMP
  • aromatic solvents such as dichlorobenzene, xylene, mesitylene, tetralin and tetramethylbenzene
  • ether solvents such as THF.
  • the solvent is preferably degassed in advance.
  • the dissolved oxygen concentration in the solvent is preferably 10 ppm or less.
  • Examples of the degassing method include a method of irradiating ultrasonic waves under reduced pressure, a method of bubbling an inert gas such as argon, and the like.
  • the solvent is preferably dehydrated in advance.
  • the amount of water in the solvent is preferably 1000 ppm or less, and more preferably 100 ppm or less.
  • a dehydration method a known method such as a method using molecular sieve or distillation can be used.
  • the amount of the solvent in the thermoelectric conversion material is preferably 90 to 99.5% by mass, more preferably 90 to 97% by mass, and 92.5 to 96% by mass with respect to the total amount of the thermoelectric conversion material. More preferably.
  • the thermoelectric conversion material of the present invention may contain a dopant as appropriate.
  • the dopant is a compound doped into the polythiophene polymer which is a conductive polymer, and the polythiophene is doped with a positive charge (p-type doping) by protonating the polythiophene or removing electrons from the ⁇ -conjugated system of the polythiophene. Anything can be used. Specifically, the following onium salt compounds, oxidizing agents, acidic compounds, electron acceptor compounds and the like can be used.
  • Onium salt compound used as a dopant is preferably a compound (acid generator, acid precursor) that generates an acid upon application of energy such as irradiation of active energy rays (radiation, electromagnetic waves, etc.) or application of heat.
  • onium salt compounds include sulfonium salts, iodonium salts, ammonium salts, carbonium salts, phosphonium salts, and the like.
  • sulfonium salts, iodonium salts, ammonium salts and carbonium salts are preferable, sulfonium salts, iodonium salts and carbonium salts are more preferable, and sulfonium salts and iodonium salts are particularly preferable.
  • anion moiety constituting the salt include a strong acid counter anion.
  • Examples of the acidic compound include polyphosphoric acid, hydroxy compound, carboxy compound, or sulfonic acid compound, protonic acid (HF, HCl, HNO 3 , H 2 SO 4 , HClO 4 , FSO 3 H, CISO 3 H, CF 3) SO 3 H, various organic acids, amino acids, etc.).
  • Examples of electron acceptor compounds include TCNQ (tetracyanoquinodimethane), tetrafluorotetracyanoquinodimethane, halogenated tetracyanoquinodimethane, 1,1-dicyanovinylene, 1,1,2-tricyanovinylene, benzoquinone.
  • Polyphosphoric acid- Polyphosphoric acid includes diphosphoric acid, pyrophosphoric acid, triphosphoric acid, tetraphosphoric acid, metaphosphoric acid and polyphosphoric acid, and salts thereof. A mixture thereof may be used.
  • the polyphosphoric acid is preferably diphosphoric acid, pyrophosphoric acid, triphosphoric acid, or polyphosphoric acid, and more preferably polyphosphoric acid.
  • Polyphosphoric acid can be synthesized by heating H 3 PO 4 with sufficient P 4 O 10 (anhydrous phosphoric acid) or by heating H 3 PO 4 to remove water.
  • the hydroxy compound may be a compound having at least one hydroxyl group, and preferably has a phenolic hydroxyl group.
  • a compound represented by the following general formula (VIII) is preferable.
  • R represents a sulfo group, a halogen atom, an alkyl group, an aryl group, a carboxy group, or an alkoxycarbonyl group
  • n represents 1 to 6
  • m represents 0 to 5.
  • R is preferably a sulfo group, an alkyl group, an aryl group, a carboxy group, or an alkoxycarbonyl group, and more preferably a sulfo group.
  • n is preferably 1 to 5, more preferably 1 to 4, and still more preferably 1 to 3.
  • m is 0 to 5, preferably 0 to 4, and more preferably 0 to 3.
  • the carboxy compound may be a compound having at least one carboxy group, and a compound represented by the following general formula (IX) or (X) is preferable.
  • A represents a divalent linking group.
  • the divalent linking group is preferably a combination of an alkylene group, an arylene group or an alkenylene group and an oxygen atom, a sulfur atom or a nitrogen atom, and more preferably a combination of an alkylene group or an arylene group and an oxygen atom or a sulfur atom. preferable.
  • the divalent linking group is a combination of an alkylene group and a sulfur atom
  • the compound also corresponds to a thioether compound.
  • the use of such a thioether compound is also suitable.
  • the divalent linking group represented by A includes an alkylene group, the alkylene group may have a substituent. As the substituent, an alkyl group is preferable, and a carboxy group is more preferable as a substituent.
  • R represents a sulfo group, a halogen atom, an alkyl group, an aryl group, a hydroxy group, or an alkoxycarbonyl group
  • n represents 1 to 6
  • m represents 0 to 5.
  • R is preferably a sulfo group, an alkyl group, an aryl group, a hydroxy group or an alkoxycarbonyl group, more preferably a sulfo group or an alkoxycarbonyl group.
  • n is preferably 1 to 5, more preferably 1 to 4, and still more preferably 1 to 3.
  • m is 0 to 5, preferably 0 to 4, and more preferably 0 to 3.
  • the sulfonic acid compound is a compound having at least one sulfo group, and a compound having two or more sulfo groups is preferable.
  • the sulfonic acid compound is preferably one substituted with an aryl group or an alkyl group, and more preferably one substituted with an aryl group.
  • the compound which has a sulfo group as a substituent is also suitable.
  • the amount of the dopant used is preferably 5 parts by mass or more, more preferably 5 to 40 parts by mass, more preferably 5 to 30 parts by mass with respect to 100 parts by mass of the polythiophene polymer from the viewpoint of the doping effect. More preferably.
  • thermoelectric conversion material of the present invention may contain other components in addition to the above components.
  • a surfactant can be contained.
  • lithium hydroxide, ammonium persulfate, an ultraviolet absorber, a polymerization inhibitor, a leveling additive, a matting agent and the like can be contained.
  • inorganic fine particles such as silica, titania and zirconia, (crosslinked) polymer fine particles, silane coupling agents, waxes and the like can be contained.
  • silica and titania is preferable from the viewpoint of improving dispersibility due to an increase in viscosity.
  • an antioxidant, a light stabilizer, a heat stabilizer, a plasticizer, and the like may be appropriately contained.
  • the content of these components is preferably about 0.1 to 5% by mass with respect to the total mass of the thermoelectric conversion material.
  • thermoelectric conversion material of the present invention can be prepared by mixing the above components.
  • CNT, polythiophene polymer and non-conjugated polymer are added to a solvent and mixed, and each component is dissolved or dispersed.
  • the order of addition and mixing of each component is not particularly limited, but it is preferable to add a predetermined amount of a polythiophene polymer in a solvent in advance and then add and disperse a predetermined amount of CNT, and then add a non-conjugated polymer.
  • a dispersion method such as mechanical homogenizer method, jaw crusher method, ultracentrifugation method, cutting mill method, automatic mortar method, disk mill method, ball mill method, ultrasonic homogenizer method, ultrahigh pressure homogenizer method, roll mill dispersion method, etc. Can do. Further, if necessary, two or more of these methods may be used in combination.
  • a preferred combination of dispersion methods is a mechanical homogenizer method and an ultrasonic dispersion method, an ultrasonic homogenizer method and a roll mill dispersion method, an ultra-high pressure homogenizer method and a roll mill dispersion method, more preferably an ultrasonic homogenizer method and a roll mill dispersion method, and an ultra-high pressure.
  • a homogenizer method and a roll mill dispersion method As the order of combination, it is preferable to perform a roll mill dispersion method after dispersion by an ultrasonic homogenizer method or an ultrahigh pressure homogenizer method. By performing in this order, after the viscosity is increased by the ultrasonic homogenizer method or the ultrahigh pressure homogenizer method, the CNTs can be further dispersed by the roll mill dispersion method.
  • thermoelectric conversion material can be prepared in the air, it is preferably performed in an inert atmosphere.
  • An inert atmosphere refers to a state where the oxygen concentration is lower than the atmospheric concentration.
  • the atmosphere has an oxygen concentration of 10% or less.
  • Examples of the method for making the inert atmosphere include a method of substituting the atmosphere with a gas such as nitrogen or argon, which is preferably used.
  • the temperature during preparation is preferably in the range of 0 ° C to 50 ° C.
  • CNTs contained in the obtained thermoelectric conversion material may contain defective CNTs. Such CNT defects are preferably reduced in order to reduce the conductivity of the thermoelectric conversion material.
  • the amount of CNT defects in the thermoelectric conversion material can be estimated by the ratio G / D of the G-band and D-band of the Raman spectrum. It can be estimated that the higher the G / D ratio, the less the amount of defects, the CNT material.
  • the G / D ratio of the thermoelectric conversion material is preferably 10 or more, and more preferably 30 or more.
  • thermoelectric conversion element The thermoelectric conversion element of this invention should just be formed using the thermoelectric conversion material of this invention for a thermoelectric conversion layer.
  • the thermoelectric conversion layer is not particularly limited as long as the thermoelectric conversion layer is obtained by molding the thermoelectric conversion material on a substrate, and the thermoelectric conversion material of the present invention has good CNT dispersibility. Therefore, the thermoelectric conversion layer can be formed by coating and forming a film on the substrate.
  • the film forming method is not particularly limited. For example, known coating methods such as spin coating, extrusion die coating, blade coating, bar coating, screen printing, stencil printing, roll coating, curtain coating, spray coating, dip coating, and inkjet method. Can be used. After application, a drying process is performed as necessary. For example, the solvent can be volatilized and dried by blowing hot air.
  • the substrate can be a substrate made of glass, transparent ceramics, metal, plastic film or the like.
  • plastic film that can be used in the present invention include polyethylene terephthalate, polyethylene isophthalate, polyethylene naphthalate, polybutylene terephthalate, poly (1,4-cyclohexylenedimethylene terephthalate), polyethylene-2,6-phthalene dicarboxylate.
  • Polycycloolefin films such as rate, polyester films such as polyester films of bisphenol A and iso and terephthalic acid, product names ZEONOR film (manufactured by Nippon Zeon), ARTON film (manufactured by JSR), Sumilite FS1700 (manufactured by Sumitomo Bakelite) , Product name Kapton (made by Toray DuPont), Apical (made by Kaneka), Ubilex (made by Ube Industries), Pomilan (made by Arakawa Chemical Co.), Polyester such as Sose (made by Teijin Chemicals), Elmec (made by Kaneka), polyether ether ketone film such as product name Sumilite FS1100 (made by Sumitomo Bakelite), polyphenyl such as product name Torelina (made by Toray Industries, Inc.) Examples thereof include a sulfide film.
  • polyethylene terephthalate polyethylene naphthalate
  • various polyimides polycarbonate films, and the like are preferable from the viewpoints of availability, preferably heat resistance of 100 ° C. or higher, economy, and effects.
  • a base material in which various electrode materials are provided on the pressure contact surface with the thermoelectric conversion layer.
  • This electrode material includes transparent electrodes such as ITO and ZnO, metal electrodes such as silver, copper, gold, aluminum, chromium and nickel, carbon materials such as CNT and graphene, organic materials such as PEDOT / PSS, silver and carbon, etc.
  • a conductive paste in which conductive fine particles are dispersed, a conductive paste containing metal nanowires such as silver, copper, and aluminum can be used.
  • thermoelectric conversion element of this invention should just have a thermoelectric conversion layer using the thermoelectric conversion material of this invention, and it does not specifically limit about the structure.
  • it is an element provided with a base material (substrate) and a thermoelectric conversion layer provided on the base material, more preferably an element further having an electrode for electrically connecting them, more preferably
  • the element includes a base material and a pair of electrodes on the base material, and a thermoelectric conversion layer is disposed between the pair of electrodes.
  • Examples of the structure of the thermoelectric conversion element of the present invention include the structure of the element (1) shown in FIG. 1 and the element (2) shown in FIG. The element (1) shown in FIG.
  • 1 includes a pair of electrodes including a first electrode (13) and a second electrode (15) on a first substrate (12), and the electrode of the present invention between the electrodes.
  • An element comprising a layer (14) of thermoelectric conversion material.
  • the second electrode (15) is disposed on the surface of the second base material (16), and the first base material (12) and the second base material (16) are arranged on the outer sides of the metal facing each other. Plates (11 and 17) are arranged.
  • a first electrode (23) and a second electrode (25) are disposed on a first base material (22), and a thermoelectric conversion material layer ( 24) is provided.
  • arrows indicate the direction of the temperature difference when the thermoelectric conversion element is used.
  • thermoelectric conversion material of the present invention is provided in the form of a film (film) on a base material, and the base material functions as the first base material (12, 22).
  • the above-mentioned various electrode materials are provided on the substrate surface (pressure contact surface with the thermoelectric conversion layer), and a thermoelectric conversion layer formed using the thermoelectric conversion material of the present invention is provided thereon. It is preferable.
  • thermoelectric conversion layer one surface is covered with a base material.
  • a base material (second base material (16, 26)) is preferably pressure-bonded from the viewpoint of protecting the film.
  • the pressure bonding between the second base material and the thermoelectric conversion layer is preferably performed by heating to about 100 ° C. to 200 ° C. from the viewpoint of improving adhesion.
  • the thickness of the thermoelectric conversion layer is preferably 0.1 ⁇ m to 1000 ⁇ m, more preferably 1 ⁇ m to 100 ⁇ m. By setting the film thickness within this range, it is easy to impart a temperature difference and increase in resistance within the film can be prevented.
  • the thicknesses of the first and second base materials are preferably 30 to 3000 ⁇ m, more preferably 50 to 1000 ⁇ m, still more preferably 100 to 1000 ⁇ m, and particularly preferably 200 to 800 ⁇ m from the viewpoints of handleability and durability. It is. By setting the thickness of the base material within this range, the thermal conductivity does not decrease, and the film (thermoelectric conversion layer) is not easily damaged by an external impact.
  • thermoelectric conversion layer in a thermoelectric conversion element, compared to a photoelectric conversion element such as an organic thin film solar cell element, the thermoelectric conversion layer may be applied and formed in one organic layer, and the element can be easily produced.
  • thermoelectric conversion material of the present invention it is possible to increase the film thickness by about 100 to 1000 times compared with the element for organic thin film solar cells, and the chemical stability against oxygen and moisture in the air is improved. To do.
  • thermoelectric conversion element of the present invention can be suitably used as a power generation element of an article for thermoelectric power generation.
  • power generators such as hot spring thermal generators, solar thermal generators, waste heat generators, wristwatch power supplies, semiconductors It can be suitably used for applications such as a drive power source and a small sensor power source.
  • Polythiophene 1 (Regiorandom, HT bond ratio: ⁇ 90%) Polythiophene 1 (Regular, HT bond ratio: ⁇ 95%) Polythiophene 2 (Regiorandom, HT bond ratio: ⁇ 90%) Polythiophene 2 (Regular, HT bond ratio: ⁇ 95%) Polythiophene 3 (Regiorandom, HT bond ratio: ⁇ 90%) Polythiophene 4 (Regiorandom, HT bond ratio: ⁇ 90%) Polythiophene 5 (Regiorandom, HT bond ratio: 78%) Polythiophene 6 (Regiorandom, HT bond ratio: 72%)
  • Polythiophenes 1 to 4 were all manufactured by Aldrich, and polythiophenes 5 to 6 were synthesized as follows.
  • the HT bond ratio of the polythiophene polymer was confirmed by analyzing the integrated value of the signal of the thienyl group-bound methylene proton in the methylene region in 1 H-NMR.
  • the structures of the used polythiophenes 1 to 6 are shown below.
  • Polythiophene 5 was synthesized by the following method. [Synthesis of 3- (2-ethylhexyl) thiophene monomer A] Under a nitrogen stream, 3.27 g (20 mmol) of 3-bromothiophene was dissolved in 20 mL of dehydrated THF and cooled to 0 ° C. To the solution, 245 mL (24 mmol) of 2-ethylhexylmagnesium bromide (1M diethyl ether solution) was added dropwise. After completion of the addition, the mixture was heated to reflux for 3 hours.
  • Polythiophene 6 was synthesized by the following method. [Synthesis of 3- (isobutyl) thiophene monomer B] Under a nitrogen stream, 3.27 g (20 mmol) of 3-bromothiophene was dissolved in 20 mL of dehydrated THF and cooled to 0 ° C. To that solution, 245 mL (24 mmol) of isobutylmagnesium bromide (1M THF / 2M diethyl ether solution) was added dropwise, and after completion of the addition, the mixture was heated to reflux for 3 hours.
  • the weight average molecular weight of each polythiophene polymer was calculated
  • Apparatus “Alliance GPC2000 (Waters)” Column: TSKgel GMH 6 -HT ⁇ 2 + TSKgel GMH 6 -HTL ⁇ 2 (Both 7.5 mm ID ⁇ 30 cm, manufactured by Tosoh Corporation) Column temperature: 140 ° C Detector: Differential refractometer Mobile phase: o-dichlorobenzene
  • Example 1-1 Preparation of carbon nanotube-dispersed paste Add 320 ml of o-dichlorobenzene to 320 mg of the above polythiophene 1 (Regio Random), and use an ultrasonic cleaner “US-2” (produced by Iuchi Seieido Co., Ltd., output 120 W, indirect irradiation). Thus, a polythiophene solution 1-1 was produced. The solubility of polythiophene was evaluated by the following method.
  • ASP-100F manufactured by Hanwha Nanotech, purity 95%) as a single-walled carbon nanotube was added to the solution 1-1, and an ultrasonic homogenizer VC-750 (manufactured by SONICS & MATERIALS. Inc., tapered microchip (probe diameter 6. 5 mm), power output 40 W, direct irradiation, duty ratio 50%), and ultrasonically dispersed at 30 ° C. for 30 minutes.
  • ultrasonic cleaning machine “US-2” manufactured by Iuchi Seieido Co., Ltd., output 120 W, indirect irradiation was used for ultrasonic dispersion at 30 ° C.
  • Carbon nanotube dispersion paste 1-1 was produced by stirring with an apparatus ARE-250 (manufactured by Sinky) at a rotational speed of 2,000 rpm and a stirring time of 5 minutes.
  • the solid content concentration in the paste was 4.1% by mass, and the CNT content in the solid content was 28.5% by mass.
  • the dispersibility of CNTs was evaluated by the following method.
  • thermoelectric conversion layer 1-1 The carbon nanotube dispersion paste 1-1 prepared above was formed on a substrate to form a thermoelectric conversion layer. Specifically, an ultrasonic cleaning in isopropyl alcohol followed by UV-ozone treatment for 10 minutes on a glass substrate having a thickness of 1.1 mm has an opening 13 ⁇ 13 mm formed by laser processing and has a thickness of 2 mm. The metal mask was put on. Next, after injecting the carbon nanotube dispersion paste 1-1 prepared above into the opening, the metal mask is removed, and then the glass substrate is heated and dried on a hot plate at 80 ° C. to form the thermoelectric conversion layer 1-1. Fabricated and evaluated for its film formability, conductivity, and thermoelectric performance.
  • thermoelectric conversion element shown in FIG. 3 was produced using the carbon nanotube dispersion paste 1-1 prepared above. More specifically, after ultrasonic cleaning in isopropyl alcohol, a metal mask having an opening of 20 ⁇ 20 mm formed by etching on a glass substrate (32) having a size of 40 ⁇ 50 mm and a thickness of 1.1 m is used. Electrode 1 (33) was formed by depositing (30 and 31) a chromium film having a thickness of 100 nm and then a gold film having a thickness of 100 nm by plating.
  • thermoelectric conversion layer 1-1 was formed on the electrode 1 by heating and drying on the plate.
  • a conductive paste dotite D-550 (manufactured by Fujikura Kasei, silver paste) is applied by screen printing to form an electrode 2 (35) on the thermoelectric conversion layer 1-1, and the thermoelectric conversion element 1- 1 (3) was produced and its thermoelectromotive force was evaluated.
  • Test Method Test methods for characteristics and the like in the examples and comparative examples of the present invention are as follows.
  • the polythiophene solubility was evaluated visually by the following four criteria at the time of dissolution in a solvent. 1: The dissolution time in the solvent was shorter than 1 minute. 2: The dissolution time in the solvent was in the range of 1 minute to less than 5 minutes. 3: The dissolution time in the solvent was in the range of 5 minutes to less than 15 minutes. 4: The dissolution time in the solvent was 15 minutes or more.
  • CNT dispersibility The CNT dispersibility was evaluated by visual observation and the following four-stage criteria after dropping the paste on a slide glass and placing a cover glass. 1: No black aggregate was observed. 2: Black aggregates having a size of less than 0.5 mm were observed. 3: Black aggregates having a size of 0.5 mm or more and less than 1 mm were observed. 4: The amount of aggregates exceeding the standard 3 was observed.
  • thermoelectric conversion layer is 1.5 times or less compared to the opening of the metal mask.
  • the size of the thermoelectric conversion layer is larger than 1.5 times and 2.0 times that of the opening of the metal mask.
  • the following 3 The size of the thermoelectric conversion layer is 2.0 times larger than the opening of the metal mask
  • thermoelectromotive force of the thermoelectric conversion element is the digital multimeter R6581 (manufactured by Advantest), which is a voltage difference generated between the electrode 1 and the electrode 2 when the glass substrate of the thermoelectric conversion element is heated with a hot plate having a surface temperature of 80 ° C. Measured with
  • Examples 1-2 to 1-5 Example except that polythiophene 1 used in Example 1-1 was changed to the same amount of polythiophene 2 (Regiorandom), polythiophene 3 (Regiorandom), polythiophene 5 (Regiorandom), or polythiophene 6 (Regiorandom)
  • polythiophene 1 used in Example 1-1 was changed to the same amount of polythiophene 2 (Regiorandom), polythiophene 3 (Regiorandom), polythiophene 5 (Regiorandom), or polythiophene 6 (Regiorandom)
  • a thermoelectric conversion layer and a thermoelectric conversion element were produced and their characteristics were evaluated. The results are shown in Table 1-1.
  • thermoelectric conversion layer and the thermoelectric conversion element were obtained in the same manner as in Example 1-1 except that the regiorandom polythiophene 1 used in Example 1-1 was changed to regioregular polythiophene 1 or regioregular polythiophene 2. It was prepared and its characteristics were evaluated. The results are shown in Table 1-1.
  • thermoelectric conversion layer and a thermoelectric conversion element were produced in the same manner as in Example 1-1 except that the carbon nanotube dispersion paste 1-1 used in Example 1-1 was changed to the following comparative carbon nanotube dispersion paste. The characteristics were evaluated. The results are shown in Table 1-1.
  • thermoelectric conversion layers containing regiorandom polythiophene, CNT, and non-conjugated polymer are polythiophene solubility, CNT dispersibility, and film formation.
  • the electrical conductivity, thermoelectric performance (PF) and thermoelectromotive force were also excellent.
  • Examples 1-4 and 1-5 using a regiorandom polythiophene having a branched alkyl group in the side chain were particularly excellent in polythiophene solubility and CNT dispersibility.
  • Comparative Examples 1-1 and 1-2 using regioregular polythiophene the polythiophene solubility and CNT dispersibility were worse than those in Examples, and the conductivity was greatly reduced. Moreover, since the film formability was reduced and the film thickness of the thermoelectric conversion element was reduced accordingly, the temperature difference was reduced and the thermoelectromotive force was also reduced. As a result, thermoelectric performance (PF) also decreased. Further, Comparative Example 1-3 containing no non-conjugated polymer was very poor in film formability and could not maintain the pattern after printing. Therefore, a thermoelectric conversion layer could not be formed and performance evaluation could not be performed.
  • thermoelectric conversion layer and a thermoelectric conversion element were produced in the same manner as in Example 1-4 except that o-dichlorobenzene was changed to the same amount of mesitylene or tetralin in Example 1-4, and the characteristics thereof were evaluated. The results are shown in Table 1-2.
  • Examples 1-6 and 1-7 using mesitylene or tetralin as a solvent showed excellent results as in Example 1-4, and showed thermoelectric performance (PF) and heat The electromotive force was even better.
  • Example 2-1 A thermoelectric conversion layer and a thermoelectric conversion element were produced in the same manner as in Example 1-1 except that the polythiophene used in Example 1-1 was changed to the same amount of polythiophene 5 (Regiorandom), and the characteristics were evaluated. did.
  • the polythiophene 5 used was analyzed for Fe content by the following ICP mass spectrometry. The results are shown in Table 2.
  • the amount of Fe impurities in polythiophene was quantified by ICP mass spectrometry using “ICP-MS Agilent 7500cs” (manufactured by Agilent).
  • the Fe element from the sample was weighed in a crucible and then subjected to an ashing operation. After concentrated acid was added and a superheated concentration operation was performed, diluted acid was added and recovered. Further, this solution was further diluted with dilute acid (addition of internal standard) to quantify Fe.
  • Example 2-1 using polythiophene with a small amount of metal impurities was excellent in polythiophene solubility, CNT dispersibility, and film formability. Moreover, thermoelectric performance (PF) and thermoelectromotive force were also high.
  • Example 3-1 Add 40 ml of o-dichlorobenzene to 480 mg of polythiophene 2 (Regio Random), and use ultrasonic cleaner “US-2” (manufactured by Inoue Seieido Co., Ltd., output 120 W, indirect irradiation) at 40 ° C. for 10 minutes. Under the conditions described above, a polythiophene solution 3-1 was prepared. Next, 960 mg of ASP-100F (manufactured by Hanwha Nanotech, purity 95%) as a single-walled carbon nanotube was added to the solution 3-1, and an ultrasonic homogenizer VC-750 (manufactured by SONICS & MATERIALS.
  • Ultrasonic homogenizer VC-750 manufactured by SONICS & MATERIALS.
  • Examples 3-2 to 3-4 The carbon nanotube-dispersed paste 3 was prepared in the same manner as in Example 3-1, except that the polythiophene 2 was changed to the same amount of polythiophene 3 (Regiorandom), polythiophene 4 (Regiorandom), or polythiophene 5 (Regiorandom). -2 to 3-4 were produced.
  • Example 3-5 Polythiophene 3 (Regio Random) 640 mg, o-dichlorobenzene 40 ml was added, and using an ultrasonic cleaner “US-2” (manufactured by Iuchi Seieido Co., Ltd., output 120 W, indirect irradiation), polythiophene solution 3-5 was made.
  • an ultrasonic cleaner VC-750 manufactured by Hanwha Nanotech, purity 95%) as a single-walled carbon nanotube was added to the solution 3-5, and an ultrasonic homogenizer VC-750 (manufactured by SONICS & MATERIALS.
  • Carbon nanotube dispersion paste 3-5 was prepared by stirring with an apparatus ARE-250 (manufactured by Sinky) at a rotation speed of 2,000 rpm and a stirring time of 15 minutes.
  • the solid content concentration in this paste was 11.9% by mass, and the CNT content in the solid content was 18.1% by mass.
  • Example 3-6 A carbon nanotube dispersion paste 3-6 was produced in the same manner as in Example 3-5, except that the polythiophene 3 was changed to the same amount of polythiophene 5 (Regiorandom).
  • Comparative Example 3-1 A comparative carbon nanotube dispersion paste 3-1 was prepared in the same manner as in Example 3-1, except that polythiophene 2 (residue random) was changed to polythiophene 2 (residual regular).
  • thermoelectric conversion layer and a thermoelectric conversion element were produced in the same manner as in Example 1-1 except that the carbon nanotube dispersion paste 1-1 used in Example 1-1 was changed to the pastes produced above. Characteristics were evaluated. The results are shown in Table 3. In addition, the solid content concentration in Table 3 indicates the solid content concentration in the carbon nanotube dispersion paste.
  • Examples 3-1 to 3-6 having thermoelectric conversion layers containing regiorandom polythiophene, CNT, and non-conjugated polymer are excellent in CNT dispersibility and film formability and conductive. Rate, thermoelectric performance (PF) and thermoelectromotive force were also excellent.
  • Examples 3-4 and 3-6 using regiorandom polythiophene having a branched alkyl group in the side chain are particularly excellent in polythiophene solubility and CNT dispersibility, and have good dispersibility even when the solid content concentration of CNT is high. Obtained.
  • Comparative Example 3-1 which uses regioregular polythiophene, the thiophene solubility and the CNT dispersibility were greatly reduced, and the film formability was poor. Moreover, the roughness of the thermoelectric conversion layer surface was large due to the aggregates of CNTs, and performance evaluation could not be performed.
  • Example 4-1 Polythiophene solution 4-1 was added to 960 mg of polythiophene 5 (Regiorandom) by adding 40 ml of o-dichlorobenzene and using an ultrasonic cleaner “US-2” (manufactured by Inoue Seiei Co., Ltd., output 120 W, indirect irradiation). Was made. Next, 1.28 g of ASP-100F (manufactured by Hanwha Nanotech, purity 95%) as single-walled carbon nanotubes was added to the solution 4-1, and an ultrasonic homogenizer VC-750 (manufactured by SONICS & MATERIALS.
  • Dispersion 4-1 1.5 g of polystyrene (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) having a degree of polymerization of 2,000 as a non-conjugated polymer is added to Dispersion 4-1, and dissolved in a 50 ° C. warm bath, followed by self-revolving stirring.
  • the carbon nanotube dispersion paste 4-1 was produced by stirring with an apparatus ARE-250 (manufactured by Sinky) at a rotation speed of 2,200 rpm and a stirring time of 20 minutes.
  • the solid content concentration in the paste was 6.7% by mass, and the CNT content in the solid content was 34% by mass.
  • Example 4-2 A carbon nanotube-dispersed paste 4-2 was produced in the same manner as in Example 4-1, except that the polythiophene 5 was changed to the same amount of polythiophene 6 (Regiorandom).
  • Example 4-3 Polythiophene solution 4-3 is added to 750 mg of polythiophene 5 (Regiorandom), using 40 ml of o-dichlorobenzene, and using an ultrasonic cleaner “US-2” (manufactured by Iuchi Seieido Co., Ltd., output 120 W, indirect irradiation).
  • US-2 ultrasonic cleaner
  • 1.5 g of ASP-100F manufactured by Hanwha Nanotech, purity 95%) as a single-walled carbon nanotube was added to the solution 4-3, and an ultrasonic homogenizer VC-750 (manufactured by SONICS & MATERIALS. Inc., tapered microchip (probe diameter).
  • the carbon nanotube dispersion paste 4-3 was produced by stirring at ⁇ 250 (manufactured by Sinky) at a rotation speed of 2,200 rpm and a stirring time of 30 minutes.
  • the solid content concentration in the paste was 5.5% by mass, and the CNT content in the solid content was 50% by mass.
  • thermoelectric conversion layer and a thermoelectric conversion element were produced in the same manner as in Example 1-1 except that the carbon nanotube dispersion paste 1-1 used in Example 1-1 was changed to the pastes produced above. Characteristics were evaluated. The results are shown in Table 4.
  • the CNT concentration in Table 4 indicates the CNT concentration in the total solid content.
  • Examples 4-1 to 4-3 containing a regiorandom polythiophene having a branched alkyl in the side chain regiorandom polythiophene 5 having a 2-ethylhexyl group in the side chain was used.
  • Examples 4-1 and 4-3 were particularly excellent in polythiophene solubility, CNT dispersibility, and film formability, and good dispersibility was obtained even when the CNT concentration was high.
  • Example 5-1 Add 30 ml of o-dichlorobenzene to 30 mg of polythiophene 3 (Regiorandom), and use an ultrasonic washer “US-2” (manufactured by Inoue Seieido Co., Ltd., output 120 W, indirect irradiation) to obtain a polythiophene solution 5-1.
  • US-2 ultrasonic washer
  • 480 mg of KH SWCNT HP manufactured by KH Chemicals, purity 80%
  • an ultrasonic homogenizer VC-750 SONICS & MATERIALS. Inc., tapered microchip (probe diameter 6.
  • the precursor 5-1 was turned back 15 times using a three-roll mill disperser BR-100V (manufactured by Imex) under the condition of a rotation ratio of 1: 1.7: 2.9, and the carbon nanotube dispersion paste 5- 1 was prepared.
  • the solid content concentration in this paste was measured, it was 4.8% by mass, and the CNT content in the solid content was 28.5% by mass.
  • Example 5-2 A carbon nanotube dispersion paste 5-2 was produced in the same manner as in Example 5-1, except that the same amount of polythiophene 5 (Regiorandom) was used instead of polythiophene 3.
  • Example 5-3 Carbon nanotube-dispersed paste in the same manner as in Example 5-2, except that the same amount of PC-Z type polycarbonate (manufactured by Teijin Chemicals Ltd., Panlite TS-2020) was used instead of poly (2-vinylnaphthalene) 5-3 was produced.
  • PC-Z type polycarbonate manufactured by Teijin Chemicals Ltd., Panlite TS-2020
  • thermoelectric conversion layer and a thermoelectric conversion element were produced in the same manner as in Example 1-1 except that the carbon nanotube dispersion paste 1-1 used in Example 1-1 was changed to the pastes produced above. Characteristics were evaluated. The results are shown in Table 5.
  • the solid content concentration in Table 5 indicates the solid content concentration in the carbon nanotube dispersion paste.
  • Examples 5-2 and 5-3 using regiorandom polythiophene having a branched alkyl group in the side chain were particularly excellent in CNT dispersibility.
  • thermoelectric conversion element was produced using a polyethylene terephthalate (hereinafter referred to as PET) film produced below as a substrate.
  • PET polyethylene terephthalate
  • Adhesive Layer After both surfaces of the obtained support were subjected to corona discharge treatment under the condition of 730 J / m 2 , an adhesive layer coating liquid A having the following composition was applied to both surfaces at a coating amount of 4.4 cm 3 / m. 2 was applied by the bar coating method. And this was dried at 160 degreeC for 1 minute, and the laminated sheet (electric conductor) in which the contact bonding layer was formed on both surfaces of the support body was obtained by forming an contact bonding layer.
  • Carbon nanotubes were prepared in the same manner as in Example 5-1, except that instead of poly (2-vinylnaphthalene), polystyrene having the same polymerization degree of 2,000 (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) was used. Dispersion paste 6-1 was produced.
  • thermoelectric conversion layer 6-1 was formed on the electrode 1 by heating and drying above.
  • thermoelectric conversion element 6-1 a conductive paste dotite D-550 (manufactured by Fujikura Kasei, silver paste) is applied by screen printing to form an electrode 2 on the thermoelectric conversion layer 6-1 to produce a thermoelectric conversion element 6-1. did.
  • a conductive paste dotite D-550 manufactured by Fujikura Kasei, silver paste
  • a digital multimeter R6581 manufactured by Advantest
  • Example 6-2 A carbon nanotube dispersion paste 6-2 was produced in the same manner as in Example 6-1 except that the same amount of polythiophene 5 (Regiorandom) was used instead of polythiophene 3. Subsequently, a thermoelectric conversion element 6-2 was produced in the same manner as in Example 6-1 except that the carbon nanotube dispersion paste 6-2 was used instead of the carbon nanotube dispersion paste 6-1.
  • a voltage difference generated between the electrode 1 and the electrode 2 when the film substrate of the thermoelectric conversion element is heated with a hot plate having a surface temperature of 80 ° C. is measured with a digital multimeter R6581 (manufactured by Advantest), a voltage difference is generated. Confirmed.
  • Electrode 1 (conductive paste)

Abstract

本発明の熱電変換素子は、下記一般式（１）で表される繰り返し単位からなる主鎖を有し、且つ側鎖Ｒが前記主鎖に対して位置不規則的（レジオランダム）配列であるポリチオフェン重合体、カーボンナノチューブ、及び非共役高分子を含有する熱電変換材料を熱電変換層に用いたことを特徴とする。一般式（１）中、Ｒは炭素原子数１～２０のアルキル基を表す。

Description

熱電変換素子及びこれを用いた熱電変換材料
　本発明は、熱電変換素子及び当該素子に用いる熱電変換材料に関する。
　近年、地球環境に配慮して、従来の化石エネルギーから再生可能エネルギーへの移行が求められてきている。再生可能エネルギーとしては、太陽光発電、風力発電、波力発電、振動発電、熱電発電等があるが、なかでも熱電発電は、熱エネルギーを直接電力に変換することができ、太陽熱発電、地熱発電、温水熱発電、工業炉や自動車からの排熱等、未利用の膨大な熱エネルギーを有効活用できる点で注目されている。また、熱電発電は、熱エネルギーを直接電力に変換することができ、可動部を必要としないため、体温で作動する腕時計や僻地用電源、宇宙用電源等に実用化されている。
　熱電発電には、熱エネルギーと電気エネルギーを相互に変換することができる熱電変換材料、これを成形・加工してなる熱電変換素子（熱電発電素子）が用いられる。熱電変換効率の観点から、熱電変換材料として実用化段階にあるのは現在のところ無機材料である。しかし、これらの無機材料は材料自体が高価であったり、有害物質を含んでいたり、熱電変換素子への加工工程が複雑である等の問題を有している。そのため、比較的廉価に製造でき、成膜等の加工も容易な有機熱電変換材料の研究が進められている。例えば、特許文献１，２には、カーボンナノチューブを用いた熱電変換材料が報告されている。
米国特許出願公開第２０１０／０３１９７５０号明細書 特開２００８－３０５８３１号公報
　本発明は、高い導電性とともに、熱電変換に要求される熱起電力を備え、優れた熱電変換性能を示す熱電変換素子、及び当該素子に用いる熱電変換材料を提供することを課題とする。
　本発明者らは、有機熱電変換材料を用いた熱電変換素子について鋭意検討を行った。その結果、カーボンナノチューブ（以下、ＣＮＴと称する場合がある。）と、レジオランダム型のポリチオフェン重合体と、非共役高分子とを含有する組成物が、優れたＣＮＴ分散性及び成膜性を有するとともに、高い熱電変換性能を示し、熱電変換材料として有用であることを見出した。そして、当該材料を用いてなる熱電変換素子は、高い導電性とともに、熱電変換に要求される熱起電力を備え、優れた熱電変換性能を示すものであった。本発明は、これらの知見に基づき成されたものである。
　すなわち、上記の課題は以下の手段により達成された。
＜１＞　下記一般式（１）で表される繰り返し単位からなる主鎖を有し、且つ側鎖Ｒが前記主鎖に対して位置不規則的（レジオランダム）配列であるポリチオフェン重合体と、カーボンナノチューブと、非共役高分子とを含有する熱電変換材料を、熱電変換層に用いた熱電変換素子。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000003
（一般式（１）中、Ｒは炭素原子数１～２０のアルキル基を表す。）
＜２＞　前記ポリチオフェン重合体中におけるヘッド・トゥ・テイル（ｈｅａｄ　ｔｏ　ｔａｉｌ；ＨＴ）結合の比率が９５％未満である＜１＞項記載の熱電変換素子。
＜３＞　前記一般式（１）において、Ｒが炭素原子数４～１２のアルキル基である＜１＞又は＜２＞項記載の熱電変換素子。
＜４＞　前記一般式（１）において、Ｒが分岐アルキル基である＜１＞～＜３＞のいずれか１項に記載の熱電変換素子。
＜５＞　前記一般式（１）において、Ｒが２-エチルヘキシル基である＜１＞～＜４＞のいずれか１項に記載の熱電変換素子。
＜６＞　前記ポリチオフェン重合体中に含まれる、Ｆｅ、Ｚｎ、及びＮｉから選ばれる少なくとも１種の金属を含む金属不純物の濃度が１０００ｐｐｍ以下である＜１＞～＜５＞のいずれか１項に記載の熱電変換素子。
＜７＞　前記熱電変換材料の全固形分中において、前記カーボンナノチューブの含有量が１０～６０質量％であり、かつ前記ポリチオフェン重合体と前記カーボンナノチューブとの含有比率が質量基準で１：４～４：１である、＜１＞～＜６＞のいずれか１項に記載の熱電変換素子。
＜８＞　基材と、該基材上に一対の電極とを備え、該電極間に前記熱電変換層が配置されてなる、＜１＞～＜７＞のいずれか１項に記載の熱電変換素子。
＜９＞　下記一般式（１）で表される繰り返し単位からなる主鎖を有し、且つ側鎖Ｒが前記主鎖に対して位置不規則的（レジオランダム）配列であるポリチオフェン重合体と、カーボンナノチューブと、非共役高分子とを含有する熱電変換材料。
＜１０＞　溶媒を含む、＜９＞項記載の熱電変換材料。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000004
（一般式（１）中、Ｒは炭素原子数１～２０のアルキル基を表す。）
　本発明において「～」を用いて表される数値範囲は、「～」の前後に記載される数値を下限値及び上限値として含む範囲を意味する。
　また、本発明において置換基に関してｘｘｘ基というときには、そのｘｘｘ基に任意の置換基を有していてもよい。また、同一の符号で示された基が複数ある場合は、互いに同じであっても異なっていてもよい。
　本発明の熱電変換材料及びこれを用いた熱電変換素子は、高い導電性とともに、熱電変換に要求される熱起電力を備え、優れた熱電変換性能を有する。
本発明の熱電変換素子の一例を模式的に示す図である。図１中の矢印は素子の使用時に付与される温度差の方向を示す。 本発明の熱電変換素子の一例を模式的に示す図である。図２中の矢印は素子の使用時に付与される温度差の方向を示す。 実施例で作成した熱電変換素子の模式図である。
　本発明の熱電変換素子は、熱電変換層に、特定構造を有するポリチオフェン重合体、カーボンナノチューブ、及び非共役高分子を含有する熱電変換材料を用いるものである。
　まず、本発明で用いる熱電変換材料とその成分について説明する。
［熱電変換材料］
　熱電変換材料や熱電変換素子の熱電変換性能は、下記式（Ａ）で示される性能指数ＺＴによりはかることができる。下記式（Ａ）から明らかなように、熱電変換性能向上には、熱起電力及び導電率を高めるとともに、熱伝導率を下げることが必要となる。このように熱電変換性能には、導電率以外のファクターが大きく影響するため、一般的に導電率が高いとされる材料であっても、熱電変換材料として有効に機能するかは実際のところ未知数である。本発明の熱電変換材料は、後述の実施例で実証されているように、熱起電力を低下させることなく高い導電性を実現でき、熱電変換材料として用いるに足る高い熱電変換性能を備える。

　　　　性能指数ＺＴ＝Ｓ２・σ・Ｔ／κ　　　（Ａ）
　　　　　Ｓ（Ｖ／Ｋ）：熱起電力（ゼーベック係数）
　　　　　σ（Ｓ／ｍ）：導電率
　　　　　κ（Ｗ／ｍＫ）：熱伝導率
　　　　　Ｔ（Ｋ）：絶対温度
［カーボンナノチューブ］
　カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）には、１枚の炭素膜（グラフェン・シート）が円筒状に巻かれた単層ＣＮＴ、２枚のグラフェン・シートが同心円状に巻かれた２層ＣＮＴ、及び複数のグラフェン・シートが同心円状に巻かれた多層ＣＮＴがある。本発明においては、単層ＣＮＴ、２層ＣＮＴ、多層ＣＮＴを各々単独で用いてもよく、２種以上を併せて用いてもよい。特に、導電性及び半導体特性において優れた性質を持つ単層ＣＮＴ及び２層ＣＮＴを用いることが好ましく、単層ＣＮＴを用いることがより好ましい。
　単層ＣＮＴは、半導体性のものであっても、金属性のものであってもよく、両者を併せて用いてもよい。また、ＣＮＴには金属などが内包されていてもよく、フラーレン等の分子が内包されたものを用いてもよい。なお、本発明の熱電変換材料には、ＣＮＴの他に、カーボンナノホーン、カーボンナノコイル、カーボンナノビーズなどのナノカーボンが含まれてもよい。
　ＣＮＴはアーク放電法、化学気相成長法（以下、ＣＶＤ法という）、レーザー・アブレーション法等によって製造することができる。本発明に用いられるＣＮＴは、いずれの方法によって得られたものであってもよいが、好ましくはアーク放電法及びＣＶＤ法により得られたものである。
　ＣＮＴを製造する際には、同時にフラーレンやグラファイトや、非晶性炭素が副生成物として生じ、また、ニッケル、鉄、コバルト、イットリウムなどの触媒金属も残存する。これらの不純物を除去するために、精製を行うことが好ましい。ＣＮＴの精製方法は特に限定されないが、硝酸、硫酸等による酸処理、超音波処理が不純物の除去には有効である。併せて、フィルターによる分離除去を行うことも、純度を向上させる観点からより好ましい。
　精製の後、得られたＣＮＴをそのまま用いることもできる。また、ＣＮＴは一般に紐状で生成されるため、用途に応じて所望の長さにカットして用いてもよい。ＣＮＴは、硝酸、硫酸等による酸処理、超音波処理、凍結粉砕法などにより短繊維状にカットすることができる。また、併せてフィルターによる分離を行うことも、純度を向上させる観点から好ましい。
　本発明においては、カットしたＣＮＴだけではなく、あらかじめ短繊維状に作製したＣＮＴも同様に使用できる。このような短繊維状ＣＮＴは、例えば、基板上に鉄、コバルトなどの触媒金属を形成し、その表面にＣＶＤ法を用いて７００～９００℃で炭素化合物を熱分解してＣＮＴを気相成長させることによって、基板表面に垂直方向に配向した形状で得られる。このようにして作製された短繊維状ＣＮＴは基板から剥ぎ取るなどの方法で取り出すことができる。また、短繊維状ＣＮＴはポーラスシリコンのようなポーラスな支持体や、アルミナの陽極酸化膜上に触媒金属を担持させ、その表面にＣＮＴをＣＶＤ法にて成長させることもできる。触媒金属を分子内に含む鉄フタロシアニンのような分子を原料とし、アルゴン／水素のガス流中でＣＶＤを行うことによって基板上にＣＮＴを作製する方法でも配向した短繊維状のＣＮＴを作製することができる。さらには、エピタキシャル成長法によってＳｉＣ単結晶表面に配向した短繊維状ＣＮＴを得ることもできる。
　本発明で用いるＣＮＴの平均長さは特に限定されないが、製造容易性、成膜性、導電性等の観点から、ＣＮＴの平均長さが０．０１μｍ以上１０００μｍ以下であることが好ましく、０．１μｍ以上１００μｍ以下であることがより好ましい。
　本発明で用いるＣＮＴの直径は特に限定されないが、耐久性、透明性、成膜性、導電性等の観点から、ＣＮＴの直径が０．４ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましく、より好ましくは５０ｎｍ以下、さらに好ましくは１５ｎｍ以下である。
　熱電変換材料中のＣＮＴの含有量は、全固形分中、１０～６０質量％であることが好ましく、１０～５０質量％であることがより好ましく、２０～５０質量％であることが特に好ましい。後述の実施例でも示されているように、本発明の熱電変換材料はＣＮＴの分散性に優れており、ＣＮＴの含有量が高くても良好な成膜性が得られる。
［ポリチオフェン重合体］
　熱電変換材料に用いるポリチオフェン重合体は、下記一般式（１）で表されるアルキル置換チオフェン構造を繰り返し単位とし、当該繰り返し単位からなる主鎖を有する重合体で、且つポリマーの側鎖Ｒがポリマー主鎖に対して位置不規則的（レジオランダム）配列をとるポリチオフェン重合体である。当該ポリチオフェン重合体は、共役系の分子構造を有しており導電性高分子として機能する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000005
　一般式（１）において、Ｒは炭素原子数１～２０のアルキル基を表す。
　Ｒは、直鎖アルキル基又は分岐アルキル基のいずれであってもよい。具体的には、直鎖アルキル基としてメチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基、ペンチル基、ヘキシル基、ヘプチル基、オクチル基、ノニル基、デシル基、ウンデシル基、ドデシル基、トリデシル基、テトラデシル基、ペンタデシル基、ヘキサデシル基、ヘプタデシル基、オクタデシル基、ノナデシル基、エイコシル基が挙げられ、分岐アルキル基としてイソプロピル基、イソブチル基、s-ブチル基、t-ブチル基、２-エチルヘキシル基、２－メチルブチル基、２－メチルヘキシル基、２－エチルオクチル基等が例示できる。当該アルキル基は、さらに置換基を有していてもよいが、好ましくは無置換のアルキル基である。
　Ｒの炭素原子数は、４～１２であることが好ましい。
　さらに、Ｒは分岐アルキル基であることが好ましく、炭素原子数４～１２の分岐アルキル基であることがより好ましく、２－エチルヘキシル基、２－メチルブチル基、２－メチルヘキシル基、２－エチルオクチル基であることがさらに好ましく、２-エチルヘキシル基であることが特に好ましい。後述の実施例で示されているように、Ｒに分岐アルキル基を導入すると、熱電変換材料中でポリチオフェン重合体の溶解性とＣＮＴの分散性とが向上して、良好な成膜性が得られる。
　一般式（１）で表される繰り返し単位は、チオフェン環の３位にアルキル基Ｒを有する非対称構造であるため、これを重合して得られるポリ－アルキル置換チオフェンは、繰り返し単位同士の結合の際、各チオフェン環の２，５位での結合の向きにより異方性が生じる。すなわち、一般式（１）で表される繰り返し単位は、チオフェン環の２位同士が結合したもの（ＨＨ結合体：ｈｅａｄ－ｔｏ－ｈｅａｄ）、２位と５位が結合したもの（ＨＴ結合体：ｈｅａｄ－ｔｏ－ｔａｉｌ）、５位同士が結合したもの（ＴＴ結合体：ｔａｉｌ－ｔｏ－ｔａｉｌ）の３種の結合様式をとり得る。
　重合体がＨＴ結合のみからなる場合、ポリマー主鎖に対して側鎖（３位の置換基）が規則的に配列する。このようなＨＴ結合のみからなるポリマーを、レジオレギュラー（ｒｅｇｉｏｒｅｇｕｌａｒ、位置規則的（配列））という。これに対し、重合体中に繰り返し単位のＨＴ結合、ＨＨ結合、ＴＴ結合が混在している場合、ポリマー主鎖に対して側鎖が不規則に配列する。このようなＨＴ結合以外の結合様式を含んでいるポリマーを、レジオランダム（ｒｅｇｉｏｒａｎｄｏｍ、位置不規則的（配列））という。ポリマー中に含まれるこれらの結合様式の割合は、核磁気共鳴分光法（１Ｈ－ＮＭＲ）により測定することができる。
　本発明では、一般式（１）で表される繰り返し単位が重合して得られるポリチオフェン重合体のなかでも、ポリマーの側鎖Ｒがポリマー主鎖に対して位置不規則的配列をとるレジオランダム型のポリチオフェン重合体を用いる。レジオランダム型であることは、重合体中の前記繰り返し単位の結合において、全結合数を１００％としてＨＴ（ｈｅａｄ　ｔｏ　ｔａｉｌ）結合比率（％）を測定することにより確認することができる。ＨＴ結合比率は、１Ｈ－ＮＭＲにより、チオフェン環に結合するＲのうち、該チオフェン環に直接結合する炭素原子上の水素原子のケミカルシフトの位置（２～４ｐｐｍの範囲）を解析することにより決定できる。
　具体的には、ＨＴ結合体の場合、例えば、ｎ－プロピル基の場合、チオフェン環に直結する炭素原子上のプロトン、すなわちメチレンプロトンはトリプレットのシグナルが観測され、ＨＨ結合体の場合メチレンプロトンはＨＴ結合体に対応するシグナルよりも高磁場側にマルチプレットのシグナルが観測され、これらのシグナルの積分値を比較することでＨＴ結合比率を決定することができる。本発明ではＨＴ結合比率として当該方法で測定された値を用いる。
　本発明においては、ポリチオフェン重合体中におけるＨＴ結合の比率が９５％未満であることが好ましく、９０％以下であることがより好ましく、８０％以下であることが特に好ましい。ＨＴ結合比率の下限値は特に限定されないが、６０％以上が実際的である。
　ポリチオフェン系化合物は、構成モノマーの結合様式の相違によってポリマーの導電性やその他の物性に影響を与えることが知られている。一般的には、ポリチオフェン系化合物中のＨＴ結合の割合が多いほどポリマー主鎖の平面性が向上し、ポリマー間のπ－πスタッキング構造を形成しやすいため、電荷の移動を容易にする上で好ましいとされている。そのため、導電性等の物性向上のためには、レジオレギュラー型ポリマーを用いることが好ましいとされるのがこれまでの技術常識であった。前述した特許文献、特開２００８－２３８１６２号公報や特開２００５－２６８５８２号公報も、レジオレギュラー型のポリチオフェン化合物を選択的に用いることで所望の性能向上を目指すものである。
　これに対し本発明は、従来好ましいとされるレジオレギュラー型ではなく、レジオランダム型のポリチオフェンを組成物の必須成分として用いることを特徴とする。後述の実施例で実証されているように、ＣＮＴとともにレジオランダム型のポリチオフェン重合体を配合することで、組成物中で当該ポリチオフェンの溶解性が向上するとともに、ＣＮＴの分散性も向上する。これらの効果は、特に側鎖Ｒが分岐アルキル基であるときに際立つ。
　本発明で用いるポリチオフェン重合体は、一般式（１）で表される繰り返し単位の繰り返し数が４～２０００程度であることが好ましい。また、分子量は、重量平均分子量で５０００～２５０，０００であることが好ましく、１０，０００～２００，０００であることがより好ましく、１５，０００～１７０，０００であることがさらに好ましい。当該重量平均分子量は、ゲル浸透クロマトグラフィー（ＧＰＣ）により測定できる。
　本発明で用いるポリチオフェン重合体は、市販品を用いることもできるし、酸化剤を添加した酸化重合により原料モノマーを重合して合成することもできる。
　熱電変換材料中の当該ポリチオフェン重合体の含有量は、全固形分中、１～４０質量％であることが好ましく、５～４０質量％であることがより好ましく、５～３０質量％であることがさらに好ましく、１０～３０質量％であることが特に好ましい。
　また、熱電変換材料の固形分中におけるポリチオフェン重合体とＣＮＴとの含有比率（ポリチオフェン重合体：ＣＮＴ）は、質量基準で１：４～４：１の範囲内であることが好ましく、１：４～３：１の範囲内であることがより好ましい。熱電変換材料中のポリチオフェン重合体とカーボンナノチューブとの含有比が上記範囲内であると、ポリチオフェン重合体の溶解性とＣＮＴ分散性がともに優れた熱電変換材料が得られ、その結果、良好な成膜性を実現でき、好ましい。
　一般的に、モノマーの重合反応には金属触媒を用いるため、合成されたポリマー中に触媒由来の金属不純物が混入していることが多い。本発明で用いるポリチオフェン重合体は、不純物濃度が質量基準で１０００ｐｐｍ以下であることが好ましい。ここで、不純物とは、Ｆｅ、Ｚｎ、及びＮｉから選ばれる少なくとも１種の金属を含む金属不純物をいう。当該不純物には、Ｆｅ、Ｚｎ、及びＮｉの金属元素やイオン、それらを含む化合物や錯体等が含まれうる。金属不純物は、Ｆｅ、Ｚｎ、Ｎｉ以外の金属を含んでいてもよい。
　ポリチオフェン重合体中の上記金属不純物の濃度が１０００ｐｐｍ以下であると、組成物へのポリチオフェンの溶解性が向上するため好ましい。より好ましくは９００ｐｐｍ以下であり、さらに好ましくは８００ｐｐｍ以下である。不純物濃度の下限値は小さいほどよく含まれないことが好ましいが、２００ｐｐｍ以上であることが実際的である。ポリチオフェン中の上記金属不純物の濃度は、ポリチオフェンを加熱分解したのち、灰分をＩＣＰ質量分析法（Inductively　Coupled　Plasma　Mass　Spectrometry）により測定することができ、本発明では当該測定値を用いる。
　ポリチオフェン重合体中の不純物濃度を低減させるには、再沈処理や重合反応後に得られた生成物溶液の濾過、水洗や、金属キレート剤含有水溶液による洗浄、重合体のソックスレー抽出法による洗浄などの方法が挙げられる。
[非共役高分子]
　熱電変換材料に用いる非共役高分子は、ポリマー主鎖の共役構造で導電性を示さない高分子化合物である。具体的には、ポリマー主鎖が、芳香環（炭素環系芳香環、ヘテロ芳香環）、エチニレン結合、エテニレン結合および孤立電子対を有するヘテロ原子から選択される環、基、又は原子から構成されている高分子以外の高分子である。
　本発明では、このような条件を満たす非共役高分子であれば、その種類は特に限定されず、通常知られている非共役高分子を用いることができる。好ましくは、ビニル化合物、（メタ）アクリレート化合物、カーボネート化合物、エステル化合物、アミド化合物、イミド化合物、フッ素化合物及びシロキサン化合物からなる群より選ばれる化合物を重合してなる高分子化合物を用いる。
　ビニル化合物として、具体的には、スチレン、ビニルピロリドン、ビニルカルバゾール、ビニルピリジン、ビニルナフタレン、ビニルフェノール、酢酸ビニル、スチレンスルホン酸、ビニルアルコール、ビニルトリフェニルアミン等のビニルアリールアミン類、ビニルトリブチルアミン等のビニルトリアルキルアミン類、等が挙げられる。
　（メタ）アクリレート化合物として、具体的には、メチルアクリレート、エチルアクリレート、プロピルアクリレート、ブチルアクリレート等のアルキル基含有疎水性アクリレート、２－ヒドロキシエチルアクリレート、１－ヒドロキシエチルアクリレート、２－ヒドロキシプロピルアクリレート、３－ヒドロキシプロピルアクリレート、１－ヒドロキシプロピルアクリレート、４－ヒドロキシブチルアクリレート、３－ヒドロキシブチルアクリレート、２－ヒドロキシブチルアクリレート、１－ヒドロキシブチルアクリレート等の水酸基含有アクリレート等のアクリレート系モノマー、これらのモノマーのアクリロイル基をメタクリロイル基に換えたメタクリレート系モノマー等が挙げられる。
　カーボネート化合物を重合してなるポリマーの具体例として、ビスフェノールＡとホスゲンからなる汎用ポリカーボネート、ユピゼータ（商品名、三菱ガス化学株式会社製）、パンライト（商品名、帝人化成株式会社製）等が挙げられる。
　エステル化合物として、具体的には乳酸が挙げられる。また、エステル化合物を重合してなるポリマーの具体例として、バイロン（商品名、東洋紡績株式会社製）等が挙げられる。
　アミド化合物を重合してなるポリマーの具体例として、ＰＡ－１００（商品名、T&K　TOKA株式会社製）等が挙げられる。
　イミド化合物を重合してなるポリマーの具体例として、ソルピー6,6-PI（商品名、ソルピー工業株式会社製）等が挙げられる。
　フッ素化合物としては、具体的には、フッ化ビニリデン、フッ化ビニル等が挙げられる。
　シロキサン化合物として、具体的には、ジフェニルシロキサン、フェニルメチルシロキサン等が挙げられる。
　非共役高分子は単独重合体であってもよく、また共重合体であってもよい。
　本発明では、非共役高分子として、ビニル化合物を重合してなる高分子化合物を用いることがより好ましい。
　熱電変換材料中の非共役高分子の含有量は、ポリチオフェン重合体１００質量部に対して、１０～１５００質量部であることが好ましく、３０～１２００質量部で有ることがより好ましく、８０～１０００質量部で有ることが特に好ましい。
　非共役高分子は、疎水性であることが好ましく、スルホン酸や水酸基などの親水性基を分子内に有しないことがより好ましい。また、溶解度パラメータ（ＳＰ値）が１１以下の非共役高分子が好ましい。ＳＰ値が１１以下の非共役高分子としては、ポリスチレン、ポリビニルナフタレン、ポリ酢酸ビニル等のポリビニル化合物、ポリメチルアクリレート、エチルアクリレート、プロピルアクリレート、ブチルアクリレート等のポリ（メタ）アクリレート、ポリエステル化合物、ポリカーボネート、ポリフッ化ビニリデン等が好ましく、ポリスチレン、ポリビニルナフタレン、ポリメチルアクリレート、ポリカーボネートがより好ましい。
　熱電変換材料全量中において、ＣＮＴ、ポリチオフェン重合体及び非共役高分子の各固形分濃度を合計した総固形分濃度が、３～２０質量％であることが好ましく、４～１５質量％であることがより好ましい。本発明の熱電変換材料では、材料中の固形分濃度が高い場合もＣＮＴの分散性に優れ、良好な成膜性が得られる。
［溶媒］
　本発明の熱電変換材料は、上述したＣＮＴ、ポリチオフェン重合体及び非共役高分子に加えて、溶媒を含有することが好ましい。本発明の熱電変換材料は、溶媒中にポリチオフェン成分が溶解し、ＣＮＴが分散されたＣＮＴ分散液であることがより好ましい。
　溶媒は、各成分を良好に分散又は溶解できればよく、水、有機溶媒、及びこれらの混合溶媒を用いることができる。好ましくは有機溶媒であり、アルコール、クロロホルムなどのハロゲン系溶媒、ＤＭＦ、ＮＭＰ、ＤＭＳＯなどの非プロトン性の極性溶媒、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン、ベンゼン、トルエン、キシレン、メシチレン、テトラリン、テトラメチルベンゼン、ピリジンなどの芳香族系溶媒、シクロヘキサノン、アセトン、メチルエチルケントンなどのケトン系溶媒、ジエチルエーテル、ＴＨＦ、ｔ－ブチルメチルエーテル、ジメトキシエタン、ジグライムなどのエーテル系溶媒などが好ましく、クロロホルムなどのハロゲン系溶媒、ＤＭＦ、ＮＭＰなどの非プロトン性の極性溶媒、ジクロロベンゼン、キシレン、メシチレン、テトラリン、テトラメチルベンゼンなどの芳香族系溶媒、ＴＨＦなどのエーテル系溶媒等がより好ましい。
　また、溶媒は、あらかじめ脱気しておくことが好ましい。溶媒中における溶存酸素濃度を、１０ｐｐｍ以下とすることが好ましい。脱気の方法としては、減圧下超音波を照射する方法、アルゴン等の不活性ガスをバブリングする方法などが挙げられる。
　さらに、溶媒は、あらかじめ脱水しておくことが好ましい。溶媒中における水分量を、１０００ｐｐｍ以下とすることが好ましく、１００ｐｐｍ以下とすることがより好ましい。脱水の方法としては、モレキュラーシーブを用いる方法、蒸留など、公知の方法を用いることができる。
　熱電変換材料中の溶媒量は、熱電変換材料の全量に対して、９０～９９．５質量％であることが好ましく、９０～９７質量％であることがより好ましく、９２．５～９６質量％であることがさらに好ましい。
［ドーパント］
　本発明の熱電変換材料は、適宜ドーパントを含有してもよい。ドーパントは導電性高分子である前記ポリチオフェン重合体にドープされる化合物で、ポリチオフェンをプロトン化する或いはポリチオフェンのπ共役系から電子を取り除くことで、ポリチオフェンを正の電荷でドーピング（ｐ型ドーピング）することができるものであればよい。具体的には、下記のオニウム塩化合物、酸化剤、酸性化合物、電子受容体化合物等を用いることができる。
１．オニウム塩化合物
　ドーパントとして用いるオニウム塩化合物は、活性エネルギー線（放射線や電磁波等）の照射、熱の付与等のエネルギー付与によって酸を発生する化合物（酸発生剤、酸前駆体）であることが好ましい。このようなオニウム塩化合物として、スルホニウム塩、ヨードニウム塩、アンモニウム塩、カルボニウム塩、ホスホニウム塩等が挙げられる。なかでも、スルホニウム塩、ヨードニウム塩、アンモニウム塩、カルボニウム塩が好ましく、スルホニウム塩、ヨードニウム塩、カルボニウム塩がより好ましく、スルホニウム塩、ヨードニウム塩が特に好ましい。当該塩を構成するアニオン部分としては、強酸の対アニオンが挙げられる。
２．酸化剤、酸性化合物、電子受容体化合物
　本発明でドーパントとして用いる酸化剤としては、ハロゲン（Ｃｌ２，Ｂｒ２，Ｉ２，ＩＣｌ，ＩＣｌ３，ＩＢｒ，ＩＦ）、ルイス酸（ＰＦ５，ＡｓＦ５，ＳｂＦ５，ＢＦ３，ＢＣｌ３，ＢＢｒ３，ＳＯ３）、遷移金属化合物（ＦｅＣｌ３，ＦｅＯＣｌ，ＴｉＣｌ４，ＺｒＣｌ４，ＨｆＣｌ４，ＮｂＦ５，ＮｂＣｌ５，ＴａＣｌ５，ＭｏＦ５，ＭｏＣｌ５，ＷＦ６，ＷＣｌ６，ＵＦ６，ＬｎＣｌ３（Ｌｎ＝Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍなどのランタノイド）、その他Ｏ２，Ｏ３，ＸｅＯＦ４，（ＮＯ２ ＋）（ＳｂＦ６ －），（ＮＯ２ ＋）（ＳｂＣｌ６ －），（ＮＯ２ ＋）（ＢＦ４ －），ＦＳＯ２ＯＯＳＯ２Ｆ，ＡｇＣｌＯ４，Ｈ２ＩｒＣｌ６，Ｌａ（ＮＯ３）３・６Ｈ２Ｏ等が挙げられる。
　酸性化合物としては、下記に示すポリリン酸、ヒドロキシ化合物、カルボキシ化合物、又はスルホン酸化合物、プロトン酸（ＨＦ，ＨＣｌ，ＨＮＯ３，Ｈ２ＳＯ４，ＨＣｌＯ４，ＦＳＯ３Ｈ，ＣＩＳＯ３Ｈ，ＣＦ３ＳＯ３Ｈ，各種有機酸，アミノ酸など）が挙げられる。
　電子受容体化合物としては、ＴＣＮＱ（テトラシアノキノジメタン）、テトラフルオロテトラシアノキノジメタン、ハロゲン化テトラシアノキノジメタン、１，１－ジシアノビニレン、１，１，２－トリシアノビニレン、ベンゾキノン、ペンタフルオロフェノール、ジシアノフルオレノン、シアノ－フルオロアルキルスルホニル－フルオレノン、ピリジン、ピラジン、トリアジン、テトラジン、ピリドピラジン、ベンゾチアジアゾール、ヘテロサイクリックチアジアゾール、ポルフィリン、フタロシアニン、ボロンキノレート系化合物、ボロンジケトネート系化合物、ボロンジイソインドメテン系化合物、カルボラン系化合物、その他ホウ素原子含有化合物、又はChemistry　Letterｓ，1991年，ｐ．1707-1710に記載の電子受容性化合物などが挙げられる。
－ポリリン酸－
　ポリリン酸には、二リン酸、ピロリン酸、三リン酸、四リン酸、メタリン酸及ポリリン酸、及びこれらの塩が含まれる。これらの混合物であってもよい。本発明ではポリリン酸は、二リン酸、ピロリン酸、三リン酸、ポリリン酸であることが好ましく、ポリリン酸であることがより好ましい。ポリリン酸は、Ｈ３ＰＯ４を充分なＰ４Ｏ１０（無水リン酸）とともに加熱することにより、或いはＨ３ＰＯ４を加熱して水を除去することにより合成できる。
－ヒドロキシ化合物－
　ヒドロキシ化合物は水酸基を少なくとも１つ有する化合物であればよく、フェノール性水酸基を有することが好ましい。ヒドロキシ化合物としては、下記一般式（VIII）で表される化合物が好ましい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000006
　一般式（VIII）中、Ｒはスルホ基、ハロゲン原子、アルキル基、アリール基、カルボキシ基、アルコキシカルボニル基を表し、ｎは１～６を示し、ｍは０～５を示す。
　Ｒとしては、スルホ基、アルキル基、アリール基、カルボキシ基、アルコキシカルボニル基が好ましく、スルホ基がより好ましい。
　ｎは、１～５が好ましく、１～４がより好ましく、１～３が更に好ましい。
　ｍは、０～５であり、０～４が好ましく、０～３が更に好ましい。
－カルボキシ化合物－
　カルボキシ化合物としてはカルボキシ基を少なくとも１つ有する化合物であればよく、下記一般式（IX）又は（X）で表される化合物が好ましい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000007
　一般式（IX）中、Ａは二価の連結基を表す。該二価の連結基としては、アルキレン基、アリーレン基又はアルケニレン基と、酸素原子、硫黄原子又は窒素原子との組み合わせが好ましく、アルキレン基又はアリーレン基と、酸素原子又は硫黄原子との組み合わせがより好ましい。なお、二価の連結基がアルキレン基と硫黄原子との組み合わせの場合、当該化合物はチオエーテル化合物にも該当する。このようなチオエーテル化合物の使用も好適である。
　Ａで表される二価の連結基がアルキレン基を含むとき、該アルキレン基は置換基を有していてもよい。該置換基としては、アルキル基が好ましく、カルボキシ基を置換基として有することがより好ましい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000008
　一般式（X）中、Ｒはスルホ基、ハロゲン原子、アルキル基、アリール基、ヒドロキシ基、アルコキシカルボニル基を表し、ｎは１～６を示し、ｍは０～５を示す。
　Ｒとしては、スルホ基、アルキル基、アリール基、ヒドロキシ基、アルコキシカルボニル基が好ましく、スルホ基、アルコキシカルボニル基がより好ましい。
　ｎは、１～５が好ましく、１～４がより好ましく、１～３が更に好ましい。
　ｍは、０～５であり、０～４が好ましく、０～３が更に好ましい。
－スルホン酸化合物－
　スルホン酸化合物は、スルホ基を少なくとも１つ有する化合物であり、スルホ基を２つ以上有する化合物が好ましい。スルホン酸化合物として好ましくは、アリール基、アルキル基に置換されたものであり、より好ましくは、アリール基に置換されたものである。
　なお、上記で説明したヒドロキシ化合物及びカルボキシ化合物において、置換基としてスルホ基を有する化合物も好適である。
　これらのドーパントは、１種類単独で又は２種類以上を組み合わせて使用することができる。ドーパントの使用量は、ドーピング効果の観点から、前記ポリチオフェン重合体１００質量部に対して５質量部以上使用することが好ましく、５～４０質量部使用することがより好ましく、５～３０質量部使用することがさらに好ましい。
［他の成分］
　本発明の熱電変換材料は、上記の各成分に加えて、他の成分を含んでいてもよい。
　塗布時のムラを防ぐ観点からは、界面活性剤を含有することができる。
　分散安定性を向上させるために、水酸化リチウム、過硫酸アンモニウム、紫外線吸収剤、重合禁止剤、レベリング添加剤、マット剤などを含有させることができる。
　膜強度、粘度を調整する観点からは、シリカ、チタニア、ジルコニア等の無機微粒子、（架橋）ポリマー微粒子、シランカップリング剤、ワックス類などを含有させることができる。特に、シリカ、チタニアの添加は、粘度増加による、分散性の向上の観点で好ましい。
　他にも、酸化防止剤、対光安定剤、耐熱安定剤、可塑剤等を適宜含有してもよい。
　これらの成分の含有量は、熱電変換材料の全質量に対し、０．１～５質量％程度であることが好ましい。
［熱電変換材料の調製］
　本発明の熱電変換材料は、上記の各成分を混合して調製することができる。好ましくは、溶媒にＣＮＴ、ポリチオフェン重合体及び非共役高分子を添加して混合し、各成分を溶解又は分散させて調製する。各成分の添加・混合順序は特に限定されないが、予め溶媒中にポリチオフェン重合体を所定量添加した後、ＣＮＴを所定量添加して分散させ、さらに非共役高分子を加えることが好ましい。
　調製方法に特に制限はなく、通常の混合方法・装置等を用いて行うことができる。例えば、メカニカルホモジナイザー法、ジョークラッシャ法、超遠心粉砕法、カッティングミル法、自動乳鉢法、ディスクミル法、ボールミル法、超音波ホモジナイザー法、超高圧ホモジナイザー法、ロールミル分散法などの分散方法を用いることができる。
　また、必要に応じ、これらの方法を２つ以上組み合わせて用いてもよい。好ましい分散方法の組み合わせは、メカニカルホモジナイザー法と超音波分散法、超音波ホモジナイザー法とロールミル分散法、超高圧ホモジナイザー法とロールミル分散法であり、より好ましくは超音波ホモジナイザー法とロールミル分散法、超高圧ホモジナイザー法とロールミル分散法である。組み合わせの順番としては、超音波ホモジナイザー法、もしくは超高圧ホモジナイザー法で分散後、ロールミル分散法を行うことが好ましい。この順番で行うことで、超音波ホモジナイザー法、もしくは超高圧ホモジナイザー法で粘度が増加したのち、ロールミル分散法でさらにＣＮＴの分散を行うことができる。
　熱電変換材料の調製は、大気中で行うこともできるが、不活性雰囲気において行うことが好ましい。不活性雰囲気とは、酸素濃度が大気中濃度よりも少ない状態のことをいう。好ましくは、酸素濃度が１０％以下の雰囲気である。不活性雰囲気にする方法としては、窒素、アルゴンなどの気体で大気を置換させる方法が挙げられ、好ましく用いられる。
　また、調製時の温度は、０℃から５０℃の範囲であることが好ましい。
　得られた熱電変換材料中に含まれるＣＮＴには、欠陥のあるＣＮＴが含まれていることがある。このようなＣＮＴの欠陥は、熱電変換材料の導電性を低下させるため、低減化することが好ましい。熱電変換材料中のＣＮＴの欠陥の量は、ラマンスペクトルのＧ－バンドとＤ－バンドの比率Ｇ／Ｄで見積もることができる。Ｇ／Ｄ比が高いほど欠陥の量が少ないＣＮＴ材料であると推定できる。本発明においては、熱電変換材料のＧ／Ｄ比が１０以上であることが好ましく、３０以上であることがより好ましい。
［熱電変換素子］
　本発明の熱電変換素子は、本発明の熱電変換材料を熱電変換層に用いてなるものであればよい。熱電変換層は、基材上に前記熱電変換材料を成形して得られるものであればよく、その形状や調製方法等は特に限定されないが、本発明の熱電変換材料はＣＮＴの分散性が良いため、基材上に塗布・成膜して熱電変換層を形成することができる。
　成膜方法は特に限定されず、例えば、スピンコート、エクストルージョンダイコート、ブレードコート、バーコート、スクリーン印刷、ステンシル印刷、ロールコート、カーテンコート、スプレーコート、ディップコート、インクジェット法など、公知の塗布方法を用いることができる。
　塗布後は、必要に応じて乾燥工程を行う。例えば、熱風を吹き付けることにより溶媒を揮発、乾燥させることができる。
　基材には、ガラス、透明セラミックス、金属、プラスチックフィルム等の基板を用いることができる。本発明に用い得るプラスチックフィルムの具体例としては、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンイソフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリ（１，４－シクロヘキシレンジメチレンテレフタレート）、ポリエチレン－２，６－フタレンジカルボキシレート、ビスフェノールＡとイソ及びテレフタル酸のポリエステルフィルム等のポリエステルフィルム、製品名ゼオノアフィルム（日本ゼオン社製）、アートンフィルム（ＪＳＲ社製）、スミライトＦＳ１７００（住友ベークライト社製）等のポリシクロオレフィンフィルム、製品名カプトン（東レ・デュポン社製）、アピカル（カネカ社製）、ユービレックス（宇部興産社製）、ポミラン（荒川化学社製）等のポリイミドフィルム、製品名ピュアエース（帝人化成社製）、エルメック（カネカ社製）等のポリカーボネートフィルム、製品名スミライトＦＳ１１００（住友ベークライト社製）等のポリエーテルエーテルケトンフィルム、製品名トレリナ（東レ社製）等のポリフェニルスルフィドフィルム等が挙げられる。使用条件や環境により適宜選択させるが入手の容易性、好ましくは１００℃以上の耐熱性、経済性及び効果の観点から、市販のポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、各種ポリイミドやポリカーボネートフィルム等が好ましい。特に、熱電変換層との圧着面に各種電極材料を設けた基材を用いることが好ましい。この電極材料としてはＩＴＯ、ＺｎＯ等の透明電極、銀、銅、金、アルミニウム、クロム、ニッケルなどの金属電極、ＣＮＴ、グラフェンなどの炭素材料、ＰＥＤＯＴ／ＰＳＳ等の有機材料、銀、カーボンなどの導電性微粒子を分散した導電性ペースト、銀、銅、アルミニウムなどの金属ナノワイヤーを含有する導電性ペースト等が使用できる。
［熱電変換素子の構成］
　本発明の熱電変換素子は、本発明の熱電変換材料を用いた熱電変換層を有するものであればよく、その構成については特に限定されない。好ましくは基材（基板）と、当該基材上に設けられた熱電変換層とを備えた素子であり、より好ましくは、これらを電気的に接続する電極をさらに有する素子であり、さらに好ましくは、基材と、基材上に一対の電極とを備え、該一対の電極間に熱電変換層が配置されている素子である。
　本発明の熱電変換素子の構造の一例として、図１に示す素子（１）及び図２に示す素子（２）の構造が挙げられる。図１に示す素子（１）は、第１の基材（１２）上に、第１の電極（１３）及び第２の電極（１５）を含む一対の電極と、該電極間に本発明の熱電変換材料の層（１４）を備える素子である。第２の電極（１５）は第２の基材（１６）表面に配設されており、第１の基材（１２）及び第２の基材（１６）の外側には互いに対向して金属板（１１及び１７）が配設される。図２に示す素子（２）は、第１の基材（２２）上に、第１の電極（２３）及び第２の電極（２５）が配設され、その上に熱電変換材料の層（２４）が設けられている。図１及び２中、矢印は、熱電変換素子の使用時における温度差の向きを示す。
　本発明の熱電変換素子は、基材上に本発明の熱電変換材料が膜（フィルム）状に設けられ、この基材を上記第１の基材（１２、２２）として機能させることが好ましい。すなわち、基材表面（熱電変換層との圧着面）に、上述した各種電極材料が設けられ、その上に本発明の熱電変換材料を用いて形成された熱電変換層が設けられた構造であることが好ましい。
　形成された熱電変換層は、一方の表面が基材で覆われているが、これを用いて熱電変換素子を調製するに際しては、他方の表面にも基材（第２の基材（１６、２６））を圧着させることが、膜の保護の観点から好ましい。また、この第２の基材（１６）表面（熱電変換層との圧着面）には上記各種電極材料を予め設けておいてもよい。また、第２の基材と熱電変換層との圧着は、密着性向上の観点から１００℃～２００℃程度に加熱して行うことが好ましい。
　本発明の熱電変換素子において、熱電変換層の膜厚は、０．１μｍ～１０００μｍが好ましく、１μｍ～１００μｍがより好ましい。膜厚をこの範囲にすることで、温度差を付与しやすく、膜内の抵抗の増大を防ぐことができる。
　また、第１及び第２の基材の厚さは取り扱い性、耐久性等の点から、好ましくは３０～３０００μｍ、より好ましくは５０～１０００μｍ、さらに好ましくは１００～１０００μｍ、特に好ましくは２００～８００μｍである。基材の厚みをこの範囲にすることで、熱伝導率が低下せず、外部衝撃による膜（熱電変換層）の損傷も起こりにくい。
　一般に熱電変換素子では、有機薄膜太陽電池用素子等の光電変換素子と比べて、熱電変換層の塗布・成膜が有機層１層分でよく、簡便に素子を製造できる。特に、本発明の熱電変換材料を用いると有機薄膜太陽電池用素子と比較して１００倍～１０００倍程度の厚膜化が可能であり、空気中の酸素や水分に対する化学的な安定性が向上する。
　本発明の熱電変換素子は、熱電発電用物品の発電素子として好適に用いることができ、具体的には、温泉熱発電機、太陽熱発電機、廃熱発電機等の発電機や、腕時計用電源、半導体駆動電源、小型センサー用電源等の用途に好適に用いることができる。
　以下、実施例に基づき本発明をより詳しく説明するが、本発明はそれらに限定されるものではない。
　実施例及び比較例には、以下のポリチオフェンを用いた。
　ポリチオフェン１（レジオランダム、ＨＴ結合比率：＜９０％）
　ポリチオフェン１（レジオレギュラー、ＨＴ結合比率：≧９５％）
　ポリチオフェン２（レジオランダム、ＨＴ結合比率：＜９０％）
　ポリチオフェン２（レジオレギュラー、ＨＴ結合比率：≧９５％）
　ポリチオフェン３（レジオランダム、ＨＴ結合比率：＜９０％）
　ポリチオフェン４（レジオランダム、ＨＴ結合比率：＜９０％）
　ポリチオフェン５（レジオランダム、ＨＴ結合比率：７８％）
　ポリチオフェン６（レジオランダム、ＨＴ結合比率：７２％）
　なお、ポリチオフェン１～４は、いずれもＡｌｄｒｉｃｈ社製のものを用い、ポリチオフェン５～６は、下記で合成したものを用いた。
　ポリチオフェン重合体のＨＴ結合比率は、１Ｈ－ＮＭＲにおいてメチレン領域のチエニル基結合性メチレンプロトンのシグナルの積分値を解析することにより確認した。
　用いたポリチオフェン１～６の構造を下記に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000009
　ポリチオフェン５は、下記の方法で合成した。
［３－（２－エチルヘキシル）チオフェンモノマーＡの合成］
　窒素気流下、３－ブロモチオフェン　３．２７ｇ（２０ｍｍｏｌ）を脱水ＴＨＦ　２０ｍＬに溶解、０℃に冷却した。その溶液に２－エチルヘキシルマグネシウムブロミド（１Ｍ　ジエチルエーテル溶液）２４５ｍＬ（２４ｍｍｏｌ）を滴下し、滴下終了後、３時間加熱還流した。反応溶液を放冷却後、水、１０％塩酸水溶液を加えて有機層を分離した後、有機層を水、塩水で洗浄して硫酸マグネシウムで乾燥させた。溶液を濃縮後、シリカゲルカラムクロマトグラフ（ヘキサン１００％）で精製することにより、無色のチオフェンモノマーＡを２．６ｇ（収率６６％）得た。得られた化合物は１Ｈ－ＮＭＲにより、目的化合物であることを確認した。
［ポリチオフェン５の重合］
　窒素気流下、塩化鉄（ＩＩＩ）　０．８２ｇ（５．０６ｍｍｏｌ）をクロロホルム１０ｍＬに溶解し、上記で合成したチオフェンモノマーＡ　０．２５ｇ（１．２７ｍｍｏｌ）を滴下して室温にて２時間撹拌した。反応溶液に水・メタノールを加えて反応を停止し、生じた黒色沈殿物をクロロホルム１００ｍＬに再溶解した後、さらに水１００ｍＬを加えて撹拌することで金属不純物の洗浄を行った。クロロホルム層を濃縮し、アセトンを加えて赤色沈殿を得た。この沈殿をアセトン：メタノール＝１：１（体積比）溶媒でソックスレー洗浄することにより、ポリチオフェン５を得た。得られた化合物は１Ｈ－ＮＭＲにより、目的化合物であることを確認した。また、２－エチルヘキシル基のα位のメチレンプロトンの積分比より、ＨＴ結合比率が７８％であることを確認した。

１Ｈ－ＮＭＲ：０．８９（６Ｈ）、１．２９（８Ｈ）、１．７０（１Ｈ）、２．４９、２．７５（α－ＣＨ２）、６．９（ｂｒ，Ａｒ）
　ポリチオフェン６は、下記の方法で合成した。
［３－（イソブチル）チオフェンモノマーＢの合成］
　窒素気流下、３－ブロモチオフェン　３．２７ｇ（２０ｍｍｏｌ）を脱水ＴＨＦ　２０ｍＬに溶解、０℃に冷却した。その溶液にイソブチルマグネシウムブロミド（１Ｍ　ＴＨＦ／２Ｍ　ジエチルエーテル溶液）２４５ｍＬ（２４ｍｍｏｌ）を滴下し、滴下終了後、３時間加熱還流した。反応溶液を放冷却後、水、１０％塩酸水溶液を加えて有機層を分離した後、有機層を水、塩水で洗浄して硫酸マグネシウムで乾燥させた。溶液を濃縮後、クーゲルロール蒸留シリカゲルカラムクロマトグラフ（ヘキサン１００％で精製することにより、無色のチオフェンモノマーＢを１２．６ｇ（収率３６％）得た。得られた化合物は１Ｈ－ＮＭＲにより、目的化合物であることを確認した。
［ポリチオフェン６の重合］
　窒素気流下、塩化鉄（ＩＩＩ）　０．８２ｇ（５．０６ｍｍｏｌ）をクロロホルム１０ｍＬに溶解し、上記で合成したチオフェンモノマーＢ　０．２５ｇ（１．２７ｍｍｏｌ）を滴下して室温にて２時間撹拌した。反応溶液に水・メタノールを加えて反応を停止し、生じた黒色沈殿物をクロロホルム１００ｍＬに再溶解した後、さらに水１００ｍＬを加えて撹拌することで金属不純物の洗浄を行った。クロロホルム層を濃縮し、アセトンを加えて赤色の沈殿物を得た。この沈殿物をアセトン：メタノール＝１：１（体積比）溶媒でソックスレー洗浄することにより、ポリチオフェン６を得た。得られた化合物は１Ｈ－ＮＭＲにより、目的化合物であることを確認した。また、イソブチル基のα位のメチレンプロトンの積分比より、ＨＴ結合比率が７２％であることを確認した。

１Ｈ－ＮＭＲ：０．９５（６Ｈ）、２．０５（１Ｈ）、２．５、２．７（α－ＣＨ２）、６．９（ｂｒ，Ａｒ）０．８９（６Ｈ）、１．２９（８Ｈ）、１．７０（１Ｈ）、２．４９、２．７５、６．９（ｂｒ，Ａｒ）
　各ポリチオフェン重合体の重量平均分子量は、ＧＰＣ（ゲル浸透クロマトグラフ）によるポリスチレン換算値として求めた。詳細には、各ポリチオフェン重合体にｏ―ジクロロベンゼンを加えて１４５℃で溶解し、１．０μｍの焼結フィルターでろ過して０．１５ｗｖ％の試料溶液を調製し、下記条件にて測定した。
　装置：「Ａｌｌｉａｎｃｅ　ＧＰＣ２０００（Ｗａｔｅｒｓ社製）」
　カラム：　ＴＳＫｇｅｌ　ＧＭＨ６－ＨＴ×２＋ＴＳＫｇｅｌ　ＧＭＨ６－ＨＴＬ×２
（いずれも７．５ｍｍＩ．Ｄ．×３０ｃｍ、東ソー社製）
　カラム温度：１４０℃
　検出器：示差屈折率計
　移動相：ｏ－ジクロロベンゼン
実施例１－１
１．カーボンナノチューブ分散ペーストの作製
　上記ポリチオフェン１（レジオランダム）３２０ｍｇに、ｏ－ジクロロベンゼン４０ｍｌを加えて、超音波洗浄機「ＵＳ－２」（井内盛栄堂（株）製、出力１２０Ｗ、間接照射）を用いて、ポリチオフェン溶液１－１を作製した。ポリチオフェンの溶解性を下記の手法で評価した。
　次に、溶液１－１に単層カーボンナノチューブとしてＡＳＰ－１００Ｆ（Ｈａｎｗｈａ　ｎａｎｏｔｅｃｈ社製、純度９５％）６４０ｍｇを加え、超音波ホモジナイザーＶＣ－７５０（ＳＯＮＩＣＳ＆ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ．Ｉｎｃ製、テーパーマイクロチップ（プローブ径６．５ｍｍ）使用、出力４０Ｗ、直接照射、Ｄｕｔｙ比５０％）を用いて、３０℃で３０分間超音波分散し、さらに、超音波洗浄機「ＵＳ－２」（井内盛栄堂（株）製、出力１２０Ｗ、間接照射）を用いて、３０℃で６０分間超音波分散することによって、カーボンナノチューブ分散液１－１を作製した。
　次に、分散液１－１に非共役高分子として重合度２，０００のポリスチレン（和光純薬製）１．２８ｇを添加し、５０℃の温浴中にて溶解させたのち、自公転式攪拌装置ＡＲＥ－２５０（シンキー製）で回転数２，０００ｒｐｍ、攪拌時間５分で攪拌することで、カーボンナノチューブ分散ペースト１－１を作製した。このペースト中の固形分濃度は４．１質量％で、固形分中のＣＮＴ含有率は２８．５質量％であった。ＣＮＴの分散性を下記の手法で評価した。
２．熱電変換層の作製
　上記で調製したカーボンナノチューブ分散ペースト１－１を基板上に成膜して、熱電変換層を形成した。
　詳細には、イソプロピルアルコール中で超音波洗浄した後、１０分間ＵＶ－オゾン処理を行った厚み１．１ｍｍのガラス基板上に、レーザー加工で形成した開口部１３×１３ｍｍを有し、かつ厚み２ｍｍのメタルマスクをかぶせた。次に、開口部に上記で調製したカーボンナノチューブ分散ペースト１－１を注入したのち、メタルマスクを取り外し、次いでガラス基板を８０℃のホットプレート上で加熱乾燥させて、熱電変換層１－１を作製し、その成膜性、導電率、及び熱電性能を評価した。
３．熱電変換素子の作製
　上記で調製したカーボンナノチューブ分散ペースト１－１を用いて、図３に示す熱電変換素子を作製した。
　詳細には、イソプロピルアルコール中で超音波洗浄した後、大きさ４０×５０ｍｍ、厚み１．１ｍのガラス基板（３２）上に、エッチングにより形成した開口部２０×２０ｍｍのメタルマスクを用いて、イオンプレーティング法によりクロムを１００ｎｍ、次に金を２００ｎｍ積層成膜（３０及び３１）することにより、電極１（３３）を形成した。
　次に、レーザー加工で形成した開口部１３×１３ｍｍを有し、かつ厚み２ｍｍのメタルマスクを用いて、上記で調製したカーボンナノチューブ分散ペースト１－１を注入し、次いでガラス基板を８０℃のホットプレート上で加熱乾燥させることで、電極１上に熱電変換層１－１（３４）を形成した。
　次に、導電性ペーストドータイトＤ－５５０（藤倉化成製、銀ペースト）をスクリーン印刷法により塗布して、熱電変換層１－１上に電極２（３５）を成膜し、熱電変換素子１－１（３）を作製し、その熱起電力を評価した。
４．試験方法
　本発明の実施例及び比較例における特性等の試験方法は以下の通りである。
［ポリチオフェン溶解性］
　ポリチオフェン溶解性は、溶媒への溶解時において、目視により下記の４段階の基準で評価した。
１：溶媒への溶解時間が１分より短かった。
２：溶媒への溶解時間が１分以上５分未満の範囲であった。
３：溶媒への溶解時間が５分以上１５分未満の範囲であった。
４：溶媒への溶解時間が１５分以上であった。
［ＣＮＴ分散性］
　ＣＮＴ分散性はペーストをスライドガラスに滴下し、カバーガラスをのせたのち、目視により観察し、および下記の４段階の基準で評価した。
１：黒色の凝集物が観測されなかった。
２：大きさ０．５ｍｍ未満の黒色の凝集物が観測された。
３：大きさ０．５ｍｍ以上、１ｍｍ未満の黒色の凝集物が観測された。
４：凝集物が基準３を超える量観察された。
［成膜性］
　成膜性は目視により下記の３段階の基準で評価した。
１：メタルマスクの開口部にくらべ、熱電変換層の大きさが１．５倍以下
２：メタルマスクの開口部にくらべ、熱電変換層の大きさが１．５倍より大きく、２．０倍以下
３：メタルマスクの開口部にくらべ、熱電変換層の大きさが２．０倍より大きい
［導電率測定］
　熱電変換材料の導電率は「低抵抗率計：ロレスタＧＰ」（（株）三菱化学アナリテック製）を用い表面抵抗率（単位：Ω／□）を測定し、触針型膜厚計により膜厚（単位：ｃｍ）を測定し、下記式より導電率（Ｓ／ｃｍ）を算出した。

（導電率）＝１／（（表面抵抗）×（膜厚））
［熱電性能：ＰＦ］
　熱電変換材料の熱電性能は、熱電特性測定装置　ＭＯＤＥＬ　ＲＺ２００１ｉ（オザワ科学社製）を用い、温度１００℃の大気雰囲気で測定を行い、ゼーベック係数（Ｖ／ｋ）と導電率（Ｓ／ｍ）を測定した。得られたゼーベック係数と導電率から、熱電特性としてＰｏｗｅｒ　Ｆａｃｔｏｒ（ＰＦ）を、下記式より算出した。

ＰＦ（μＷ／（ｍ・Ｋ））＝（ゼーベック係数）２×（導電率）
［熱起電力］
　熱電変換素子の熱起電力は、熱電変換素子のガラス基板を表面温度８０℃のホットプレートで加熱した際に、電極１－電極２間で生じる電圧差を、デジタルマルチメーターＲ６５８１（アドバンテスト社製）で測定した。
実施例１－２～１－５
　実施例１－１で用いたポリチオフェン１を、同量のポリチオフェン２（レジオランダム）、ポリチオフェン３（レジオランダム）、ポリチオフェン５（レジオランダム）、又はポリチオフェン６（レジオランダム）に変更した以外は実施例１－１と同様にして、熱電変換層及び熱電変換素子を作製し、その特性を評価した。結果を表１－１に示す。
比較例１－１、１－２
　実施例１－１で用いたレジオランダムのポリチオフェン１を、レジオレギュラーのポリチオフェン１、又はレジオレギュラーのポリチオフェン２に変更した以外は実施例１－１と同様にして、熱電変換層及び熱電変換素子を作製し、その特性を評価した。結果を表１－１に示す。
比較例１－３
　実施例１－１で用いたカーボンナノチューブ分散ペースト１－１を、下記の比較用カーボンナノチューブ分散ペーストに変更した以外は実施例１－１と同様にして、熱電変換層及び熱電変換素子を作製し、その特性を評価した。結果を表１－１に示す。
［比較用カーボンナノチューブ分散ペーストの作製］
　ポリチオフェン１（レジオランダム）２．２４ｇに、ｏ－ジクロロベンゼン４０ｍｌを加えて、超音波洗浄機「ＵＳ－２」（井内盛栄堂（株）製、出力１２０Ｗ、間接照射）を用いて、ポリチオフェン溶液を作製した。
　次に、当該溶液に単層カーボンナノチューブとしてＡＳＰ－１００Ｆ（Ｈａｎｗｈａ　ｎａｎｏｔｅｃｈ社製、純度９５％）８００ｍｇを加え、超音波ホモジナイザーＶＣ－７５０（ＳＯＮＩＣＳ＆ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ．Ｉｎｃ製、テーパーマイクロチップ（プローブ径６．５ｍｍ）使用、出力４０Ｗ、直接照射、Ｄｕｔｙ比５０％）を用いて、３０℃で３０分間超音波分散し、さらに、超音波洗浄機「ＵＳ－２」（井内盛栄堂（株）製、出力１２０Ｗ、間接照射）を用いて、３０℃で６３０分間超音波分散することによって、比較用カーボンナノチューブ分散ペーストを作製した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000010
　表１－１から明らかなように、レジオランダムのポリチオフェン、ＣＮＴ、非共役高分子を含有する熱電変換層を有する実施例１－１～１－５は、ポリチオフェン溶解性、ＣＮＴ分散性及び成膜性が良好で、かつ導電率、熱電性能（ＰＦ）及び熱起電力にも優れていた。側鎖に分岐アルキル基を有するレジオランダムポリチオフェンを用いた実施例１－４及び１－５は、ポリチオフェン溶解性、及びＣＮＴ分散性が特に優れていた。
　一方、レジオレギュラーのポリチオフェンを用いた比較例１－１～１－２では、ポリチオフェン溶解性、ＣＮＴ分散性が実施例に比べて悪く、導電率も大きく低下した。また、成膜性が低下し、それに伴って熱電変換素子の膜厚が減少したため、温度差が小さくなり、熱起電力も低下した。その結果、熱電性能（ＰＦ）も低下した。また、非共役高分子を含有しない比較例１－３は成膜性が非常に悪く、印刷後のパターンを維持することができなかった。そのため、熱電変換層を成膜できず性能評価もできなかった。
実施例１－６、１－７
　実施例１－４において、ｏ－ジクロロベンゼンを同量のメシチレン又はテトラリンに変更した以外は実施例１－４と同様にして、熱電変換層及び熱電変換素子を作製し、その特性を評価した。結果を表１－２に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000011
　表１－２から明らかなように、溶媒としてメシチレン又はテトラリンを用いた実施例１－６、１－７では、実施例１－４と同様に優れた結果を示し、熱電性能（ＰＦ）及び熱起電力はさらに優れたものであった。
実施例２－１
　実施例１－１で用いたポリチオフェンを、同量のポリチオフェン５（レジオランダム）に変更した以外は実施例１－１と同様にして、熱電変換層及び熱電変換素子を作製し、その特性を評価した。また、用いたポリチオフェン５は、下記のＩＣＰ質量分析法によりＦｅ含有量の分析を行った。結果を表２に示す。
[Ｆｅ不純物量の定量]
　ポリチオフェンのＦｅ不純物量は、「ＩＣＰ－ＭＳ　Ａｇｉｌｅｎｔ７５００ｃｓ」（アジレント製）を用いてＩＣＰ質量分析法にて定量した。試料からのＦｅ元素は、試料を坩堝に秤取後灰化操作を行い、濃酸を添加して過熱濃縮操作を行った後、希酸を添加して回収した。さらに本溶液をさらに希酸（内部標準添加）で希釈し、Ｆｅを定量した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000012
　表２から明らかなように、金属不純物量が少ないポリチオフェンを用いた実施例２－１では、ポリチオフェン溶解性、ＣＮＴ分散性、成膜性ともに優れていた。また、熱電性能（ＰＦ）、熱起電力も高かった。
実施例３－１
　ポリチオフェン２（レジオランダム）４８０ｍｇに、ｏ－ジクロロベンゼン４０ｍｌを加えて、超音波洗浄機「ＵＳ－２」（井内盛栄堂（株）製、出力１２０Ｗ、間接照射）を用い、４０℃で１０分間の条件で、ポリチオフェン溶液３－１を作製した。
　次に、溶液３－１に単層カーボンナノチューブとしてＡＳＰ－１００Ｆ（Ｈａｎｗｈａ　ｎａｎｏｔｅｃｈ社製、純度９５％）９６０ｍｇを加え、超音波ホモジナイザーＶＣ－７５０（ＳＯＮＩＣＳ＆ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ．Ｉｎｃ製、テーパーマイクロチップ（プローブ径６．５ｍｍ）使用、出力５０Ｗ、直接照射、Ｄｕｔｙ比５０％）を用いて、３０℃で３０分間超音波分散し、さらに、超音波洗浄機「ＵＳ－２」（井内盛栄堂（株）製、出力１２０Ｗ、間接照射）を用いて、３０℃で６０分間超音波分散することによって、カーボンナノチューブ分散液３－１を作製した。
　次に、分散液３－１に非共役高分子として重合度２，０００のポリスチレン（和光純薬製）を１．９２ｇ添加し、５０℃の温浴中にて溶解させたのち、自公転式攪拌装置ＡＲＥ－２５０（シンキー製）で回転数２，０００ｒｐｍ、攪拌時間１５分で攪拌することで、カーボンナノチューブ分散ペースト３－１を作製した。このペースト中の固形分濃度（全固形分濃度）は６．１質量％で、固形分中のＣＮＴ含有率は２８．５質量％であった。
実施例３－２～３－４
　ポリチオフェン２を、同量のポリチオフェン３（レジオランダム）、ポリチオフェン４（レジオランダム）、又はポリチオフェン５（レジオランダム）に変更した以外は、実施例３－１と同様の方法で、カーボンナノチューブ分散ペースト３－２～３－４を作製した。
実施例３－５
　ポリチオフェン３（レジオランダム）６４０ｍｇに、ｏ－ジクロロベンゼン４０ｍｌを加えて、超音波洗浄機「ＵＳ－２」（井内盛栄堂（株）製、出力１２０Ｗ、間接照射）を用い、ポリチオフェン溶液３－５を作製した。
　次に、溶液３－５に単層カーボンナノチューブとしてＡＳＰ－１００Ｆ（Ｈａｎｗｈａ　ｎａｎｏｔｅｃｈ社製、純度９５％）１．２８ｇを加え、超音波ホモジナイザーＶＣ－７５０（ＳＯＮＩＣＳ＆ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ．Ｉｎｃ製、テーパーマイクロチップ（プローブ径６．５ｍｍ）使用、出力５０Ｗ、直接照射、Ｄｕｔｙ比５０％）を用いて、３０℃で３０分間超音波分散し、さらに、超音波洗浄機「ＵＳ－２」（井内盛栄堂（株）製、出力１２０Ｗ、間接照射）を用いて、３０℃で６０分間超音波分散することによって、カーボンナノチューブ分散液３－５を作製した。
　次に、分散液３－５に非共役高分子として重合度２，０００のポリスチレン（和光純薬製）を５．１２ｇ添加し、５０℃の温浴中にて溶解させたのち、自公転式攪拌装置ＡＲＥ－２５０（シンキー製）で回転数２，０００ｒｐｍ、攪拌時間１５分で攪拌することで、カーボンナノチューブ分散ペースト３－５を作製した。このペースト中の固形分濃度は１１．９質量％で、固形分中のＣＮＴ含有率は１８．１質量％であった。
実施例３－６
　ポリチオフェン３を、同量のポリチオフェン５（レジオランダム）に変更した以外は、実施例３－５と同様の方法で、カーボンナノチューブ分散ペースト３－６を作製した。
比較例３－１
　ポリチオフェン２（レジランダム）をポリチオフェン２（レジオレギュラー）に変更した以外は、実施例３－１と同様の方法で、比較用カーボンナノチューブ分散ペースト３－１を作製した。
　実施例１－１で用いたカーボンナノチューブ分散ペースト１－１を、上記で作製した各ペーストに変更した以外は実施例１－１と同様にして、熱電変換層及び熱電変換素子を作製し、その特性を評価した。結果を表３に示す。なお、表３の固形分濃度は、カーボンナノチューブ分散ペースト中の固形分濃度を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000013
　表３から明らかなように、レジオランダムのポリチオフェン、ＣＮＴ、非共役高分子を含有する熱電変換層を有する実施例３－１～３－６は、ＣＮＴ分散性と成膜性に優れ、かつ導電率、熱電性能（ＰＦ）及び熱起電力にも優れていた。側鎖に分岐アルキル基を有するレジオランダムポリチオフェンを用いた実施例３－４及び３－６は、ポリチオフェン溶解性及びＣＮＴ分散性に特に優れ、ＣＮＴの固形分濃度が高くても良好な分散性が得られた。
　一方、レジオレギュラーのポリチオフェンを用いた比較例３－１では、チオフェン溶解性及びＣＮＴ分散性が大きく低下し、成膜性が悪かった。また、ＣＮＴの凝集体により、熱電変換層表面のラフネスが大きく、性能評価ができなかった。
実施例４－１
　ポリチオフェン５（レジオランダム）９６０ｍｇに、ｏ－ジクロロベンゼン４０ｍｌを加えて、超音波洗浄機「ＵＳ－２」（井内盛栄堂（株）製、出力１２０Ｗ、間接照射）を用い、ポリチオフェン溶液４－１を作製した。
　次に、溶液４－１に単層カーボンナノチューブとしてＡＳＰ－１００Ｆ（Ｈａｎｗｈａ　ｎａｎｏｔｅｃｈ社製、純度９５％）１．２８ｇを加え、超音波ホモジナイザーＶＣ－７５０（ＳＯＮＩＣＳ＆ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ．Ｉｎｃ製、テーパーマイクロチップ（プローブ径６．５ｍｍ）使用、出力５０Ｗ、直接照射、Ｄｕｔｙ比５０％）を用いて、３０℃で３０分間超音波分散し、さらに、超音波洗浄機「ＵＳ－２」（井内盛栄堂（株）製、出力１２０Ｗ、間接照射）を用いて、３０℃で６０分間超音波分散することによって、カーボンナノチューブ分散液４－１を作製した。
　次に、分散液４－１に非共役高分子として重合度２，０００のポリスチレン（和光純薬製）を１．５ｇ添加し、５０℃の温浴中にて溶解させたのち、自公転式攪拌装置ＡＲＥ－２５０（シンキー製）で回転数２，２００ｒｐｍ、攪拌時間２０分で攪拌することで、カーボンナノチューブ分散ペースト４－１を作製した。このペースト中の固形分濃度は６．７質量％で、固形分中のＣＮＴ含有率は３４質量％であった。
実施例４－２
　ポリチオフェン５を、同量のポリチオフェン６（レジオランダム）に変更した以外は、実施例４－１と同様の方法でカーボンナノチューブ分散ペースト４－２を作製した。
実施例４－３
　ポリチオフェン５（レジオランダム）７５０ｍｇに、ｏ－ジクロロベンゼン４０ｍｌを加えて、超音波洗浄機「ＵＳ－２」（井内盛栄堂（株）製、出力１２０Ｗ、間接照射）を用い、ポリチオフェン溶液４－３を作製した。
　次に、溶液４－３に単層カーボンナノチューブとしてＡＳＰ－１００Ｆ（Ｈａｎｗｈａ　ｎａｎｏｔｅｃｈ社製、純度９５％）１．５ｇを加え、超音波ホモジナイザーＶＣ－７５０（ＳＯＮＩＣＳ＆ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ．Ｉｎｃ製、テーパーマイクロチップ（プローブ径６．５ｍｍ）使用、出力５０Ｗ、直接照射、Ｄｕｔｙ比５０％）を用いて、３０℃で４５分間超音波分散し、さらに、超音波洗浄機「ＵＳ－２」（井内盛栄堂（株）製、出力１２０Ｗ、間接照射）を用いて、３０℃で６０分間超音波分散することによって、カーボンナノチューブ分散液４－３を作製した。
　次に、分散液４－３に非共役高分子として重合度２，０００のポリスチレン（和光純薬製）を７５０ｍｇ添加し、５０℃の温浴中にて溶解させたのち、自公転式攪拌装置ＡＲＥ－２５０（シンキー製）で回転数２，２００ｒｐｍ、攪拌時間３０分で攪拌することで、カーボンナノチューブ分散ペースト４－３を作製した。このペースト中の固形分濃度は５．５質量％で、固形分中のＣＮＴ含有率は５０質量％であった。
　実施例１－１で用いたカーボンナノチューブ分散ペースト１－１を、上記で作製した各ペーストに変更した以外は実施例１－１と同様にして、熱電変換層及び熱電変換素子を作製し、その特性を評価した。結果を表４に示す。なお、表４のＣＮＴ濃度は、全固形分中のＣＮＴ濃度を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000014
　表４から明らかなように、側鎖に分岐アルキルを有するレジオランダムポリチオフェンを含有する実施例４－１～４－３のなかでも、側鎖に２－エチルヘキシル基を有するレジオランダムポリチオフェン５を用いた実施例４－１、４－３は、特にポリチオフェン溶解性、ＣＮＴ分散性、成膜性に優れており、ＣＮＴ濃度が高い場合も良好な分散性が得られた。
実施例５－１
　ポリチオフェン３（レジオランダム）３０ｍｇに、ｏ－ジクロロベンゼン３０ｍｌを加えて、超音波洗浄機「ＵＳ－２」（井内盛栄堂（株）製、出力１２０Ｗ、間接照射）を用い、ポリチオフェン溶液５－１を作製した。
　次に、溶液５－１に単層カーボンナノチューブとしてＫＨ　ＳＷＣＮＴ　ＨＰ（ＫＨ　Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ社製、純度８０％）４８０ｍｇを加え、超音波ホモジナイザーＶＣ－７５０（ＳＯＮＩＣＳ＆ＭＡＴＥＲＩＡＬＳ．Ｉｎｃ製、テーパーマイクロチップ（プローブ径６．５ｍｍ）使用、出力５０Ｗ、直接照射、Ｄｕｔｙ比５０％）を用いて、３０℃で３０分間超音波分散することで、カーボンナノチューブ分散液５－１を作製した。
　次に、分散液５－１に非共役高分子としてポリ（２－ビニルナフタレン）（重量平均分子量１７．５万、Ａｌｄｒｉｃｈ製）を１．１７ｇ添加し、５０℃の温浴中にて溶解させたのち、自公転式攪拌装置ＡＲＥ－２５０（シンキー製）で回転数２２００ｒｐｍ、攪拌時間１５分で攪拌することで、カーボンナノチューブ分散ペースト前駆体５－１を作製した。
　さらに、前駆体５－１を、3本ロールミル分散機ＢＲ－１００Ｖ（アイメックス社製）を用い、回転比１：１．７：２．９の条件で、１５回切り返し、カーボンナノチューブ分散ペースト５－１を調製した。
　このペースト中の固形分濃度を実測したところ４．８質量％で、固形分中のＣＮＴ含有率は２８．５質量％であった。
実施例５－２
　ポリチオフェン３の代わりに、同量のポリチフェン５（レジオランダム）を用いた以外は、実施例５－１と同様にカーボンナノチューブ分散ペースト５－２を作製した。
実施例５－３
　ポリ（２－ビニルナフタレン）の代わりに、同量のＰＣ－Ｚ型ポリカーボネート（帝人化成株式会社製、パンライトＴＳ－２０２０）を用いた以外は、実施例５－２と同様にカーボンナノチューブ分散ペースト５－３を作製した。
　実施例１－１で用いたカーボンナノチューブ分散ペースト１－１を、上記で作製した各ペーストに変更した以外は実施例１－１と同様にして、熱電変換層及び熱電変換素子を作製し、その特性を評価した。結果を表５に示す。なお、表５の固形分濃度は、カーボンナノチューブ分散ペースト中の固形分濃度を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000015
　表５から明らかなように、側鎖に分岐アルキル基を有するレジオランダムポリチオフェンを用いた実施例５－２及び５－３は、ＣＮＴ分散性が特に優れていた。
実施例６－１
　基板として、下記で作製したポリエチレンテレフタレート（以下、ＰＥＴ）フィルムを用いて熱電変換素子を作製した。
１．支持体の作製
　Ｇｅを触媒として重縮合したＰＥＴ樹脂を含水率５０ｐｐｍ以下に乾燥させ、ヒーター温度を２８０～３００℃に設定し、押し出し機内で溶融させた。溶融させたＰＥＴ樹脂をダイ部より静電印加されたチルロール上に吐出させ、非結晶ベースを得た。得られた非結晶ベースをベース進行方向に３．３倍に延伸した後、幅方向に対して３．８倍に延伸し、厚さ１８８μｍの支持体を得た。
２．接着層の形成
　得られた支持体の両面に対して７３０Ｊ／ｍ２の条件でコロナ放電処理を行った後、この両面に下記組成の接着層用塗布液Ａを塗布量４．４ｃｍ３／ｍ２としてバーコート法により塗布した。そして、これを１６０℃で１分乾燥して接着層を形成することで、支持体の両面に接着層が形成された積層シート（導電体）を得た。
　－接着層用塗布液Ａの組成－
・ウレタン樹脂バインダ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　３０．７質量部
　（三井化学（株）製、オレスターUD350、固形分38質量％、ガラス転移温度33℃）
・アクリル樹脂バインダ　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　４．２質量部
　（ダイセルファインケム（株）製AS563、固形分27.5質量％、ガラス転移温度47℃）
・架橋剤　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　５．８質量部
　（日清紡（株）製、カルボジライトV-02-L2、固形分４０質量％）
・添加剤（フィラー）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　１．９質量部
　（日本アエロジル（株）製、アエロジルOX-50、固形分１０質量％）
・添加剤（フィラー）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　０．８質量部
　（日産化学（株）製，スノーテックスＸＬ、固形分４０質量％）
・添加剤（すべり剤）　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　１．９質量部
　（中京油脂（株）製、セロゾール５２４、固形分３０質量％）
・界面活性剤１　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　１５．５質量部
　（日本油脂（株）製、ラピゾールＢ－９０、アニオン性１質量％）
・界面活性剤２　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　１９．４質量部
　（三洋化成工業（株）製、ナロアクティーＣＬ－９５、ノニオン性１質量％）
・純水　　　　　　　　　　　　　　　　　合計が１０００質量部になるように添加
３．カーボンナノチューブ分散ペーストの作製
　ポリ（２－ビニルナフタレン）の代わりに、同量の重合度２，０００のポリスチレン（和光純薬製）を用いた以外は、実施例５－１と同様にしてカーボンナノチューブ分散ペースト６－１を作製した。
４．熱電変換素子の作製
　大きさ４０×５０ｍｍの積層シート上に、エッチングにより形成した開口部２０×２０ｍｍのメタルマスクを用いて、イオンプレーティング法によりクロムを１００ｎｍ、次に金を２００ｎｍ積層成膜することにより、電極１を形成した。
　次に、レーザー加工で形成した開口部１３×１３ｍｍを有し、かつ厚み２ｍｍのメタルマスクを用いて、上記で調製したカーボンナノチューブ分散ペースト６－１を注入し、フィルム基板を８０℃のホットプレート上で加熱乾燥させることで、電極１上に熱電変換層６－１を形成した。
　次に、導電性ペーストドータイトＤ－５５０（藤倉化成製、銀ペースト）をスクリーン印刷法により塗布して、熱電変換層６－１上に電極２を成膜し、熱電変換素子６－１を作製した。
　熱電変換素子のフィルム基板を表面温度８０℃のホットプレートで加熱した際に、電極１－電極２間で生じる電圧差を、デジタルマルチメーターＲ６５８１（アドバンテスト社製）で測定したところ、電圧差が生じるのを確認した。
実施例６－２
　ポリチオフェン３の代わりに、同量のポリチフェン５（レジオランダム）を用いた以外は、実施例６－１と同様にしてカーボンナノチューブ分散ペースト６－２を作製した。続いて、カーボンナノチューブ分散ペースト６－１の代わりに、カーボンナノチューブ分散ペースト６－２を用いた以外は、実施例６－１と同様に熱電変換素子６－２を作製した。
　熱電変換素子のフィルム基板を表面温度８０℃のホットプレートで加熱した際に、電極１－電極２間で生じる電圧差を、デジタルマルチメーターＲ６５８１（アドバンテスト社製）で測定したところ、電圧差が生じるのを確認した。
　１、２、３　熱電変換素子
　１１、１７　金属板
　１２、２２　第１の基材
　１３、２３　第１の電極
　１４、２４　熱電変換層
　１５、２５　第２の電極
　１６、２６　第２の基材
　３０　　　　クロム層
　３１　　　　金層
　３２　　　　ガラス基板
　３３　　　　電極１
　３４　　　　熱電変換層
　３５　　　　電極２（導電性ペースト）

Claims (10)

  1. 　下記一般式（１）で表される繰り返し単位からなる主鎖を有し、且つ側鎖Ｒが前記主鎖に対して位置不規則的配列であるポリチオフェン重合体と、カーボンナノチューブと、非共役高分子とを含有する熱電変換材料を、熱電変換層に用いた熱電変換素子。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-C000001
     一般式（１）中、Ｒは炭素原子数１～２０のアルキル基を表す。
  2. 　前記ポリチオフェン重合体中におけるヘッド・トゥ・テイル結合の比率が９５％未満である請求項１記載の熱電変換素子。
  3. 　前記一般式（１）において、Ｒが炭素原子数４～１２のアルキル基である請求項１又は２記載の熱電変換素子。
  4. 　前記一般式（１）において、Ｒが分岐アルキル基である請求項１～３のいずれか１項に記載の熱電変換素子。
  5. 　前記一般式（１）において、Ｒが２-エチルヘキシル基である請求項１～４のいずれか１項に記載の熱電変換素子。
  6. 　前記ポリチオフェン重合体中に含まれる、Ｆｅ、Ｚｎ、及びＮｉから選ばれる少なくとも１種の金属を含む金属不純物の濃度が１０００ｐｐｍ以下である請求項１～５のいずれか１項に記載の熱電変換素子。
  7. 　前記熱電変換材料の全固形分中において、前記カーボンナノチューブの含有量が１０～６０質量％であり、かつ前記ポリチオフェン重合体と前記カーボンナノチューブとの含有比率が質量基準で１：４～４：１である、請求項１～６のいずれか１項に記載の熱電変換素子。
  8. 　基材と、該基材上に一対の電極とを備え、該電極間に前記熱電変換層が配置されてなる、請求項１～７のいずれか１項に記載の熱電変換素子。
  9. 　下記一般式（１）で表される繰り返し単位からなる主鎖を有し、且つ側鎖Ｒが前記主鎖に対して位置不規則的配列であるポリチオフェン重合体と、カーボンナノチューブと、非共役高分子とを含有する熱電変換材料。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-C000002
     一般式（１）中、Ｒは炭素原子数１～２０のアルキル基を表す。
  10. 　溶媒を含む、請求項９記載の熱電変換材料。
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