阪大、透明な熱電材料の作製技術を開発――安価で無毒、熱電変換出力は従来の3倍

走査型電子顕微鏡像

大阪大学は2018年10月31日、ZnOナノワイヤを薄膜中に導入することで、材料の透明性を維持したまま、熱電変換出力因子を3倍増大し、かつ熱伝導率を低減することに成功したと発表した。一般的なガラス・透明デバイスに貼り付けることで未利用熱を電気として回収できる透明熱電変換素子などの開発が期待できるという。

熱電発電は、廃熱からエネルギーを回収する方法で、中でも室内外で温度差がある窓ガラスを熱源とした透明熱電発電デバイスの開発が期待されている。熱電材料にはこれまで、低い熱伝導率を有する重元素材料を用いた高性能熱電材料開発が進められてきた。しかし、重元素は高価で有毒であるため、社会利用は困難なものとなってきている。

電子伝導とフォノン伝導の概念図

研究グループは今回、安価／無毒で透明なZnOに注目し、ZnOナノワイヤをZnO薄膜中に導入した独自ナノ構造を世界で初めて開発した。また、ZnOナノワイヤの作る界面のドーパント濃度を変化させることで、エネルギー障壁を意図的に制御。熱電変換の効率を示す熱電変換出力因子の増大に成功した。さらに、ナノワイヤの界面でのフォノン散乱により、熱伝導率を低減することにも成功した。

熱電変換出力因子増大

また、作製した薄膜試料を透過型電子顕微鏡法を用いて観察した結果、界面でのドーパント濃度の変調を確認。熱電特性も測定したところ、ナノワイヤを導入していない薄膜と比較して、約3倍の熱電変換出力因子を示すことを見出した。さらに、可視光領域での光透過率が、ビルの窓ガラスに匹敵する約60%に達することも確認している。

可視光領域での透明性の確認

今回開発したZnOナノワイヤは、ナノワイヤ面密度を増大させることで、熱伝導率をさらに低減できる可能性があるという。これにより性能がさらに向上すれば、安価で無毒な同熱電材料は容易に社会利用できるとしている。

阪大、透明な熱電材料の作製技術を開発――安価で無毒、熱電変換出力は従来の3倍