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n型亜鉛アンチモン系化合物熱電半導体

国内特許コード P09A014912
整理番号 20‐27
掲載日 2009年12月4日
出願番号 特願2009-072844
公開番号 特開2009-260321
登録番号 特許第5256560号
出願日 平成21年3月24日(2009.3.24)
公開日 平成21年11月5日(2009.11.5)
登録日 平成25年5月2日(2013.5.2)
優先権データ
  • 特願2008-077124 (2008.3.25) JP
発明者
  • 長谷崎 和洋
出願人
  • 国立大学法人島根大学
発明の名称 n型亜鉛アンチモン系化合物熱電半導体
発明の概要

【課題】熱から電力に直接変換する熱電半導体材料に関し、特に、n型亜鉛アンチモン系化合物熱電半導体を提供する。
【解決手段】熱を直接電力に変換する亜鉛アンチモン系化合物(ZnSb、β-Zn4Sb3)に、窒化物を添加した。
【選択図】図1

従来技術、競合技術の概要


熱エネルギーを電気エネルギーに変換する熱電半導体は、エネルギー変換材料として注目されている。



図5は、従来の熱電半導体を利用した、熱―電気変換装置(熱電発電モジュール)の構成と動作原理とを模式的に説明する説明図である。



この熱―電気変換装置(熱電発電モジュール)101は、p型熱電半導体102およびn型熱電半導体103が、高温側電極105と、低温側電極106に挟まれた構造を有する。



p型熱電半導体102およびn型熱電半導体103は、接合部107を介して高温側電極105に接合されている。



また、p型熱電半導体102およびn型熱電導体チップ103は、接合部108を介して低温側電極106に接合されている。



この熱-電気直接変換装置(熱電発電モジュール)101では、高温側電極105に熱H1が供給されると、熱H1は接合部107を介してp型熱電半導体102およびn型熱電半導体103に伝達され、p型熱電半導体102およびn型熱電半導体103を通過する熱流H2に沿って、p型熱電半導体102の内部では半導体キャリアである正孔110が、また、n型熱電半導体103の内部では半導体キャリアである電子111が、p型熱電半導体102又はn型熱電半導体103に接合部108を介して接合されている低温側電極106に向かって移動する。



一方、半導体チップ102,103を通過する熱流Hfは、低温側電極106を通過して低温側電極から放出される熱H3となる。



そして、熱-電気直接変換装置(熱電発電モジュール)101の外部に、適当な電気的負荷113が、電流取出手段115を介して接続されている場合には、上記半導体キャリアの移動が、電流の流れIとして、熱-電気直接変換装置(熱電発電モジュール)101の外部に取出して、利用することができる。



即ち、この熱―電気変換装置(熱電発電モジュール)101の熱電発電は、熱―電気変換装置(熱電発電モジュール)101の片側(高温側電極105)に熱を供給し、他方の低温度端から熱を放出させ、熱電半導体内部に還流する熱の一部を電気として取り出すことにより発電を行う発電方式である。



つまり、高温部で生成されたキャリア(p型では正孔、n型では電子)が低温側に拡散することで起電力を生じることにより発電を行う。熱電発電モジュールは、キャリアが異なるp型材料とn型材料が使用される。発電変換効率(エネルギー変換効率)ηは、各材料の性能を示す下式により決定される。



【数式1】
ここでα、ρ、κはp型熱電半導体の温度差1Kあたりの起電力を示すゼーベック係数(V/k)、比抵抗(Ωm)、熱伝導率(W/mK)を示す。 α、ρ、κは、n型熱電半導体の温度差1Kあたりの起電力を示すゼーベック係数(V/K)、比抵抗(Ωm)、熱伝導率(W/mk)を示す。T、T、R、Rの各々は、高温端温度(K)、低温端温度(K)、外部負荷抵抗(Ω)、内部抵抗(Ω)を示す。



Zは、材料の性能指数(K-1)である。Zの値が高いほど、熱電発電のエネルギー変換効率ηは高くなる。そのため、高温端温度と低温端温度が決まれば、この材料の性能指数Zにより、この熱電発電のエネルギー変換効率ηが定まる。
ここで、熱電変換半導体材料の一つとして、亜鉛アンチモン系化合物(Zn-Sb、より具体的には、ZnSb、β-Zn4Sb3)が知られている。



図6は、p型熱電半導体の各種材料の熱電性能指数と温度の関係を示す相関関係図である。



亜鉛アンチモン系化合物(Zn-Sb)は、500Kから700Kの間で、他の材料と比較して高い性能指数Zを示しており、発電用材料として高いポテンシャルを有していることがわかる。



ところで、亜鉛アンチモン系化合物(Zn-Sb)のp型制御には、不純物元素を添加することが知られている。



具体的には、p型亜鉛アンチモン系化合物(Zn-Sb)の製造には、Pb,Ga、Sn、Au、In、Te、Ag、Al等の不純物元素を添加することが知られている。(非特許文献1、特許文献1、2を参照。)
ところで、亜鉛アンチモン系化合物(Zn-Sb)のn型制御は、Teを添加すると得られることが報告されている。

産業上の利用分野


本発明は、熱から電力に直接変換する熱電半導体材料に関し、特に、n型亜鉛アンチモン系化合物熱電半導体に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
熱を直接電力に変換する亜鉛アンチモン系化合物に、窒化物を添加した、n型亜鉛アンチモン系化合物熱電半導体であって、前記窒化物が、Zn、GaN及びInNの群から選択される少なくとも一種である、n型亜鉛アンチモン系化合物熱電半導体。

【請求項2】
前記窒化物を、0.05at.%以上10.00at.%以下の範囲で添加した、請求項1に記載のn型亜鉛アンチモン系化合物熱電半導体。

【請求項3】
亜鉛アンチモン系化合物が、ZnSb又はβ-Zn4Sb3である、請求項1又は2に記載のn型亜鉛アンチモン系化合物熱電半導体。
産業区分
  • 固体素子
  • 発電、電動
国際特許分類(IPC)
画像

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出願権利状態 権利存続中
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