希少元素を使わない高効率熱電変換材料を開発――熱伝導率低減と電荷移動度向上を両立 NIMSら

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物質・材料研究機構(NIMS)は2021年4月17日、産業技術総合研究所と共同で、希少元素を使わずに高い熱電変換効率を実現する材料を開発したと発表した。

一次エネルギーの多くは熱として排出されており、その内320℃以下の低温域の廃熱が90%余りを占める。廃熱を有効利用するために熱を電気に変換する熱電材料の開発が各所で進められている。熱電変換効率の向上には熱伝導率を抑えつつなおかつ電気伝導率を高める必要があるが、一般的には電気伝導率が高ければ熱伝導率も高くなる性質を持つため、その両立が難しかった。

また、低温域での熱伝導変換性能は、半世紀以上前に発見されたBi2Te3を超えるものがなく、同材料は主成分が希少元素のTeであることがその普及を妨げている。

今回の研究では、n型Mg3Sb2系材料にわずかな銅原子を添加することで、熱伝導率低減と電荷移動度向上を両立させることに成功した。

原子間隙に挿入された少量の銅原子が、熱伝導をつかさどるフォノンを減速させることで熱伝導率を大幅に低減。利用熱の散逸を抑止して高効率で熱電発電ができる。さらに粒界へ挿入された銅原子が電子の散乱を抑制。熱伝導率が低い多結晶体試料でありながら、単結晶材料に匹敵する高い電気伝導率を実現した。これら2つの効果で従来は難しかった熱伝導性の低減と電気伝導率の向上を両立させ、高い熱電効率を実現した。

今回さらに、上記と同様に高性能化したp型材料と併せて熱電モジュールを作製。室温と320℃の温度差で、従来最も高効率のBi2Te3系材料に匹敵する7.3%の熱電変換効率を実現した。

今回の研究結果は、希少元素をほとんど用いない熱電モジュールの実用化および普及に道を拓き、IoTなどで多くのセンサーに用いる自立電源向けの熱電モジュールの実用化にも貢献するという。

なお今回の研究は、科学技術振興機構 未来社会創造事業 大規模プロジェクト型 技術テーマ「センサ用独立電源として活用可能な革新的熱電変換技術」の支援を受け実施された。

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