熱流と垂直方向に発電する熱電材料を開発――新しいゴニオ極性材料群を発見産総研と島根大学

産業技術総合研究所は2024年2月8日、島根大学と共同で、温度差と電流の向きを直交させられる特異な熱電材料（ゴニオ極性材料）を開発したと発表した。この材料を使えば、廃熱を利用して発電する熱電モジュールの高性能化も期待できる。

研究成果は2024年2月7日、「Chemistry of Materials」にオンライン掲載された。

熱として排出されるエネルギーを電気に変換する熱電材料の開発が世界中で進められており、近年は高い性能を有する新材料も報告されている。しかし、現在、実用化されているのは50年以上前に発見されたBi₂Te₃系材料しかないうえ、Bi₂Te₃系材料は室温付近で動作するため、高温で動作する熱電モジュールが求められている。

また、従来の熱電モジュールは熱流と発電方向が同じ「縦型」構造のため、高温熱源と接触する電極界面で元素拡散などの反応が生じて劣化してしまい、耐久性にも課題がある。

研究グループは、キャリア密度を精密に制御したMg₃Sb₂とMg₃Bi₂の単結晶を作製し、ゼーベック係数の温度変化などを測定。その結果、材料中で電子とホールの移動する方向が結晶方位によって異なるゴニオ極性を確認した。

Mg₃Sb₂およびMg₃Bi₂の結晶構造（原論文の図を引用・改変したものを使用）

また、第一原理計算によって、ゴニオ極性の発現メカニズムを解明。電子フェルミ面は球状をしており、電子が物質中を等方的に伝導するのに対し、ホールフェルミ面は平らな形状をしており、縦方向のみにホールが伝導するため、電子とホールの伝導の異方性を制御することで、ゴニオ極性が発現していることを明らかにした。

ゴニオ極性の活用については、理論的には提案されていたが、実用化が可能な高性能材料はまだ開発されていない。研究グループは、Mg₃Sb₂とMg₃Bi₂でゴニオ極性が観測できたことは、高い耐久性を持つ熱電モジュールの実用化に向けた重要な成果だとしている。今後、さらに多くの材料を検討し、ゴニオ極性材料を用いた高性能な横型熱電モジュールの実現を目指す。

熱流と垂直方向に発電する熱電材料を開発――新しいゴニオ極性材料群を発見　産総研と島根大学