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熱電変換素子

国内特許コード P150011189
整理番号 S2014-1128-N0
掲載日 2015年1月27日
出願番号 特願2014-131400
公開番号 特開2016-009830
出願日 平成26年6月26日(2014.6.26)
公開日 平成28年1月18日(2016.1.18)
発明者
  • 津久井 茂樹
  • 林 将太
  • 河野 弘毅
出願人
  • 公立大学法人大阪府立大学
発明の名称 熱電変換素子
発明の概要 【課題】本発明は、大きいゼーベック係数を有する熱電変換素子を提供する。
【解決手段】本発明の熱電変換素子は、半導体層と、前記半導体層上に直接設けられた絶縁体層上に又は前記半導体層上に直接設けられた熱電変換層とを備え、前記熱電変換層は、1 nm以上500 nm以下の厚さを有することを特徴とする。また、本発明の熱電変換素子において、前記半導体層及び前記熱電変換層が、前記半導体層がn型半導体層である場合前記熱電変換層の面内方向のゼーベック係数がプラス値及びマイナス値のうち一方の値となり、前記半導体層がp型半導体層である場合前記熱電変換層の面内方向のゼーベック係数が他方の値となるように設けられてもよい。
【選択図】図1
従来技術、競合技術の概要


熱電材料を利用したエネルギー変換システムは、(1)力学的駆動部を持たないために長時間メンテナンス性に優れる、(2)システム作動のための外部電力を要せず、また排出物がないためクリーンで低環境負荷である、(3)スケール効果が無く、システム全体を小型・軽量化できる、といった長所を有している。特にシステム全体の小型化が可能であるという長所を生かし、このシステムのセンサーやマイクロ発電デバイスへの応用が期待されている。



一般に熱電材料の性能を示す指標である出力因子として、無次元性能指数ZT= S2σT/κ[-]とパワーファクターPF=S2σ [W・m-1・K-2]が用いられる。無次元性能指数ZTは出力の大きさの指標であり、パワーファクターPFは外に取り出せる電圧の大きさの指標ある。ここでSはゼーベック係数[V・K-1]、σは導電率[S・m-1]、κは熱伝導率[W・m-1・K-1]、Tは温度[K]である。ゼーベック係数とは温度勾配によって生じた熱起電力V[V]を温度差ΔT[K]で割ったものであり、S=V/ΔTで表わすことができる。ゼーベック係数の符号によってキャリアが正孔か電子かを判断することができる。優れた熱電材料とは、性能指数が大きいこと、すなわちゼーベック係数と導電率が大きく、熱伝導率が小さい物質である。実用化するためにはZTは1.0以上、PFは3.0 mW・m-1・K-2以上が必要とされる。



熱電材料は、一般的にインゴット材料等が用いられる。一方、熱電材料薄膜を備えた熱電変換素子が知られている(例えば、特許文献1、2参照)。熱電材料薄膜を用いると、小型化された熱電変換素子を形成することができるというメリットがある。

産業上の利用分野


本発明は、熱電変換素子に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
半導体層と、前記半導体層上に直接設けられた絶縁体層上に又は前記半導体層上に直接設けられた熱電変換層とを備え、
前記熱電変換層は、1 nm以上500 nm以下の厚さを有することを特徴とする熱電変換素子。

【請求項2】
前記熱電変換層は、Fe2VAl系材料層、Bi2Te3系材料層、金属鉄層又はコンスタンタン層である請求項1に記載の熱電変換素子。

【請求項3】
前記熱電変換層は、前記絶縁体層上に直接設けられ、
前記絶縁体層は、0.1 nm以上150 nm以下の厚さを有する請求項1又は2に記載の熱電変換素子。

【請求項4】
前記絶縁体層は、前記半導体層の酸化被膜である請求項1~3のいずれか1つに記載の熱電変換素子。

【請求項5】
前記半導体層は、n型半導体層またはp型半導体層である請求項1~4のいずれか1つに記載の熱電変換素子。

【請求項6】
前記半導体層は、Si基板又はGaAs基板である請求項1~5のいずれか1つに記載の熱電変換素子。

【請求項7】
前記半導体層及び前記熱電変換層は、前記半導体層がn型半導体層である場合前記熱電変換層の面内方向のゼーベック係数がプラス値及びマイナス値のうち一方の値となり、前記半導体層がp型半導体層である場合前記熱電変換層の面内方向のゼーベック係数が他方の値となるように設けられた請求項1~6のいずれか1つに記載の熱電変換素子。
国際特許分類(IPC)
画像

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JP2014131400thum.jpg
出願権利状態 公開
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