2018 Fiscal Year Annual Research Report
ゼーベックテンソルの非対角成分を活用した新型発電デバイスの創製
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17H03383
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| Research Institution | Tohoku University |
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Principal Investigator |
宮崎 讓 東北大学, 工学研究科, 教授 (40261606)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 電気・電子材料 / 熱電変換 / 非対角熱電デバイス |
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| Outline of Annual Research Achievements |
熱流と直交する方向に起電力が生じる「非対角熱電効果」を利用すれば、従来型熱電発電モジュールの短所を克服する実用発電デバイスの実現が期待できる。
今年度は、種々の金属材料と熱電材料の組み合わせで、どの程度の最高出力が得られるのかを計算シミュレーションした。これまでに報告されている種々の熱電材料および金属材料の、室温におけるゼーベック係数、導電率および熱伝導率の値を入力し、多層膜中における金属層厚の分率と、多層膜の傾斜角の２つをパラメータとして、最高の出力因子が得られる多層膜デバイスの形状を評価した。この結果、以下の設計指針が得られた。１）金属材料の条件として、導電率および熱伝導率が大きい（ゼーベック係数の値は重要因子ではない）こと。２）熱電材料の条件として、ゼーベック係数が大きいこと、かつ同等な出力因子の大きさなら、ゼーベック係数の値が支配的要因であること。および３）金属材料と熱電材料のゼーベック係数の差が大きいこと。これらの条件下で、金属層厚の分率が大きい場合、熱電材料が示す出力因子の10倍程度の出力因子が、傾斜デバイス化で実現可能であることが明らかになった。以上のシミュレーション結果から、金属材料として最適なのは銅であり、熱電材料としては、遷移金属ケイ化物（クロムケイ化物やマンガンケイ化物）が最も適していることが確認された。実際にクロムケイ化物を合成し、その多結晶粉末と金属銅からなる傾斜デバイスを、放電プラズマ焼結により試作を行っている。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
計算シミュレーションは既に終えており、現在は遷移金属ケイ化物熱電材料の合成と、多層膜の試作を行っている。シミュレーションによれば、多層膜中における金属層厚の分率が9割程度の時に最も出力が高くなると予想されるので、焼結時の温度や圧力、時間を制御して、金属粒子が熱電材料中に拡散しない条件を検討している。
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| Strategy for Future Research Activity |
最高出力が得られると予測されるデバイス形状を実現するとともに、作製された非対角デバイスの出力特性を評価する。
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