JPWO2019171915A1 - 熱電材料素子、発電装置、光センサおよび熱電材料の製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
ここで、ηは変換効率、ΔT=Th−Tc、Thは高温側の温度、Tcは低温側の温度、M=(1+ZT)1/2、ZT=α2ST/κ、ZTは無次元性能指数、αはゼーベック係数、Sは導電率、κは熱伝導率である。このように、変換効率はZTの単調増加関数である。ZTを増大させることが、熱電変換材料の開発において重要である。
昨今、温度差を利用した熱電変換において、熱電変換の効率のさらなる向上が求められている。上記した非特許文献1に開示の技術では、このような要求に十分に応えることはできない。
[本開示の効果]
上記熱電材料素子によれば、熱電変換の効率を向上させることができる。
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。本願の熱電材料素子は、動作時において第一の結晶相および第一の結晶相とは異なる第二の結晶相を含む熱電材料からなる熱電材料部と、熱電材料部に接触して配置される第一電極と、熱電材料部に接触し、第一電極と離れて配置される第二電極とを備える。熱電材料部は、動作時において、第一の温度を有する第一温度領域と、第一温度領域よりも低い第二の温度を有する第二温度領域と、を含む。第二の結晶相に対する第一の結晶相の割合は、第二温度領域よりも第一温度領域の方が多い。
次に、本開示の一実施形態に係る熱電材料素子を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照符号を付しその説明は繰り返さない。
本願に係る熱電材料素子の一実施の形態である実施の形態1を、図1および図2を参照しつつ説明する。なお、理解の容易の観点から、図1および図2において断面を示すハッチングを一部省略している。
なお、以下の構成としてもよい。図11は、本願の他の実施の形態に係る発電モジュール49の構造の一例を示す図である。図11を参照して、本実施の形態の発電モジュール49は、熱電材料部12と、金属線13と、第一低温側電極15および第二低温側電極16に対応する低温側電極15、16と、高温側電極14と、低温側絶縁体基板26と、高温側絶縁体基板27とを備える。熱電材料部12および金属線13は、上記したI型熱電材料素子11に備えられる熱電材料部12および金属線13と同様の構成である。低温側絶縁体基板26および高温側絶縁体基板27は、アルミナなどのセラミックからなる。熱電材料部12と金属線13とは、交互に並べて配置される。低温側電極15、16は、上述のI型熱電材料素子11と同様に熱電材料部12および金属線13に接触して配置される。高温側電極14は、上述のI型熱電材料素子11と同様に熱電材料部12および金属線13に接触して配置される。熱電材料部12は、一方側に隣接する金属線13と共通の高温側電極14により接続される。また、熱電材料部12は、上記一方側とは異なる側に隣接する金属線13と共通の低温側電極15、16により接続される。このようにして、全ての熱電材料部12と金属線13とが直列に接続される。
次に、本願のさらに他の実施形態に係る熱電材料素子を用いた光センサとしての赤外線センサの構成について説明する。図12、図13および図14は、赤外線センサ51の構成を示す図である。図12は、赤外線センサを平面的に見た図である。図13は、図12中のXIII−XIIIで示す領域を切断した場合の断面図である。図14は、赤外線センサを構成する熱電材料部と金属線との接触部分の断面を拡大して示す拡大断面図である。
Claims (18)
- 動作時において第一の結晶相および前記第一の結晶相とは異なる第二の結晶相を含む熱電材料からなる熱電材料部と、
前記熱電材料部に接触して配置される第一電極と、
前記熱電材料部に接触し、前記第一電極と離れて配置される第二電極とを備え、
前記熱電材料部は、動作時において、
第一の温度を有する第一温度領域と、
前記第一温度領域よりも低い第二の温度を有する第二温度領域と、を含み、
前記第二の結晶相に対する前記第一の結晶相の割合は、前記第二温度領域よりも前記第一温度領域の方が多い、熱電材料素子。 - 前記第一温度領域は、最も温度の高い最高温度部を含み、
前記第二温度領域は、最も温度の低い最低温度部を含み、
前記最高温度部から前記最低温度部に近づくにつれ、前記第二の結晶相に対する前記第一の結晶相の割合は、少なくなる、請求項1に記載の熱電材料素子。 - 動作時において、
前記第一電極と前記熱電材料部とが接触する領域から前記第二電極と前記熱電材料部とが接触する領域へ向かう方向に対して、前記最高温度部から前記最低温度部へ向かう方向が傾斜している、請求項2に記載の熱電材料素子。 - 前記熱電材料部を構成する化合物において、前記第一の結晶相に含まれるカチオン原子の割合と前記第二の結晶相に含まれるカチオン原子の割合とは、異なる、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の熱電材料素子。
- 動作時における前記第二の結晶相のキャリア濃度は、動作前の前記第二の結晶相のキャリア濃度よりも低い、請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の熱電材料素子。
- 前記熱電材料部の表面の少なくとも一部は、減圧下に曝されている、請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の熱電材料素子。
- 前記熱電材料部の表面の少なくとも一部は、10Pa未満の気圧下に曝されている、請求項6に記載の熱電材料素子。
- 動作時において、
前記第一電極と前記熱電材料部とが接触する領域と、前記第二電極と前記熱電材料部とが接触する領域との温度差は、2K未満である、請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の熱電材料素子。 - 前記熱電材料部は、カルコゲン化物で構成されている、請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の熱電材料素子。
- 前記熱電材料部は、Cu2Se、SnSe、Ag2Se、Ag2Te、または前記Cu2Se、前記SnSe、前記Ag2Se、前記Ag2Teのいずれかに遷移金属元素を添加した化合物から構成される、請求項1から請求項9のいずれか1項に記載の熱電材料素子。
- 前記熱電材料部は、前記Cu2SeにNi、Ti、またはZrを添加した化合物から構成される、請求項10に記載の熱電材料素子。
- 前記熱電材料部は、前記SnSeにSc、Ti、またはZrを添加した化合物から構成される、請求項10に記載の熱電材料素子。
- 前記熱電材料部は、
Cu2Seから構成されており、
動作時の温度は、50℃から130℃の範囲内である、請求項1から請求項9のいずれか1項に記載の熱電材料素子。 - 前記熱電材料部は、
SnSeから構成されており、
動作時の温度は、130℃から530℃の範囲内である、請求項1から請求項9のいずれか1項に記載の熱電材料素子。 - 前記第一の結晶相は、立方晶または直方晶である、請求項1から請求項14のいずれか1項に記載の熱電材料素子。
- 請求項1から請求項15のいずれか1項に記載の熱電材料素子を含む、発電装置。
- 請求項1から請求項15のいずれか1項に記載の熱電材料素子を含む、光センサ。
- カルコゲン化物の原料となる粉末を固めて圧粉体を得る工程と、
前記圧粉体の一部を加熱して結晶化させる工程と、
前記圧粉体の一部を結晶化させた後に加熱を停止し、結晶化の進行に伴う前記圧粉体の自己発熱により前記圧粉体の残部を結晶化させる工程とを備える、熱電材料の製造方法。
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