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シリコンバルク熱電変換材料

国内特許コード P210017453
整理番号 (AF51P001)
掲載日 2021年3月12日
出願番号 特願2019-562126
出願日 平成30年12月26日(2018.12.26)
国際出願番号 JP2018047940
国際公開番号 WO2019131795
国際出願日 平成30年12月26日(2018.12.26)
国際公開日 令和元年7月4日(2019.7.4)
優先権データ
  • 特願2017-249463 (2017.12.26) JP
発明者
  • 塩見 淳一郎
  • 柏木 誠
  • 児玉 高志
出願人
  • 国立研究開発法人科学技術振興機構
発明の名称 シリコンバルク熱電変換材料
発明の概要 シリコンの熱伝導率を低減することで、従来に比べ熱電性能が向上したシリコンバルク熱電変換材料を提供する。シリコン単体で、室温でZTが0.2を超えるシリコンバルク熱電変換材料。1nm以上300nm以下の複数のシリコン粒と、前記複数のシリコン粒中及びシリコン粒表面に存在する平均1nm以上30nm以下の第1の空孔と、前記複数のシリコン粒間に存在する平均100nm以上300nm以下の第2の空孔と、を有し、前記シリコン粒のアスペクト比が10未満である、シリコンバルク熱電変換材料。
従来技術、競合技術の概要

近年、熱電変換材料の性能向上を目指した研究が多くなされている。熱電変換とは、熱と電気とを直接に相互変換可能なデバイスであり、これまで利用することの難しかった排熱等の低温熱源からの発電が可能であることから、IoTのセンシングデバイス等の電源をはじめとするエナジーハーベスティングデバイスとして注目が集まっている。熱電変換材料の性能は、無次元性能指数ZTにより表される。

【数1】
(省略)
ここで、Sはゼーベック係数、σは電気伝導率、Tは絶対温度、κは熱伝導率である。この式から明らかなように、熱電変換材料の性能は、(1)ゼーベック係数Sまたは電気伝導率σを向上するか、(2)熱伝導率κを低減するか、のいずれかにより向上することが可能である。

近年では多くの研究グループより、ZTが1を大幅に超える研究成果が報告されている。他方で、エナジーハーベスティングデバイスとしての利用を考えた場合、ZTの大幅な向上は必要不可欠なものではなく、製造コストを低く抑えることができるのであれば高いZTは必ずしも必要ではない。しかし、これまでに報告されている研究のほとんどは、毒性が高く環境適応性の低い材料や高価な材料が使用されている。したがって、前述の費用対効果の問題を解決することができず、熱電変換デバイスの普及、実用化には至っていない。ここで、製造コストの観点から見ると、シリコンは高埋蔵量、無毒性、高安定性を有する材料であり、かつ現在普及しているシリコン加工技術を適用可能であることから、熱電変換材料として有力な材料である。しかしながら、シリコンの熱伝導率は100 W/m/K以上あり、単純に熱電変換材料化してもZT値は0.005程度と全く実用化に適さないのが現状である。そこで、特許文献1は「10以上のアスペクト比」を有するナノワイヤとすることによって熱伝導率の低減を図っている(請求項1、段落[0009]等)。また、特許文献2は「マグネシウム・シリコン合金、マグネシウム・シリコン・スズ合金、シリコン、又はシリコン・ゲルマニウム合金のいずれかを主成分とし、多数の微細孔を有する多孔質体からなることを特徴とする熱電材料」を解決手段としているが、これは、シリコン単体や微少ドープされたシリコンでは実用的なZT値を得られないことから、合金材料(ゲルマニウムなど)を基に熱電材料を模索しているということを意味する。

産業上の利用分野

本発明は、シリコンバルク熱電変換材料に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
シリコン単体で、室温でZTが0.2を超えるシリコンバルク熱電変換材料。

【請求項2】
平均1nm以上300nm以下の複数のシリコン粒と、
前記複数のシリコン粒中及びシリコン粒表面に存在する平均1nm以上30nm以下の第1の空孔と、
前記複数のシリコン粒間に存在する平均100nm以上300nm以下の第2の空孔と、を有し、
前記シリコン粒のアスペクト比が10未満である、
シリコンバルク熱電変換材料。

【請求項3】
平均1nm以上30nm以下の銀粒子を含む請求項2に記載のシリコンバルク熱電変換材料。

【請求項4】
前記シリコン単体のin-plane方向とout-of-plane方向とのZTの比が2倍以内である、請求項1に記載のシリコンバルク熱電変換材料。
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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JP2019562126thum.jpg
出願権利状態 公開
参考情報 (研究プロジェクト等) CREST 微小エネルギーを利用した革新的な環境発電技術の創出 領域
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