2019 Fiscal Year Research-status Report
Attempt to create high performance thermoelectric conversion material by use of compositing powder particles with modulating doped carriers
| Project/Area Number |
18K04777
|
|---|
| Research Institution | Osaka University |
|---|
Principal Investigator |
勝山 茂 大阪大学, 工学研究科, 准教授 (00224478)
|
|---|
| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2021-03-31
|
| Keywords | 熱電変換 / 変調ドープ / 酸化亜鉛系熱電変換材料 / Si系熱電変換材料 / ゼーベック係数 / 電気伝導率 / 熱伝導率 |
|---|
| Outline of Annual Research Achievements |
熱エネルギーを電気エネルギーに直接変換する熱電変換材料の高性能化には材料のゼーベック係数Sおよび電気伝導率σを大きく、熱伝導率κを小さくする必要がある。その設計指針としてPBET（Phonon Blocking Electron Transmitting）的特性を示す材料の実現が提案されている。これは熱を伝搬するフォノンを遮断し、電気を伝搬する電子（キャリア）を透過させるような構造を持った材料が優れた熱電変換材料となり得るというものである。2018年度（平成30年度）は酸化亜鉛ZnO系熱電変換材料について、キャリアを有するZn0.98Al0.02O粉末粒子と、キャリアを有せず熱伝導率が低いZn0.90Mg0.10O粉末粒子から成る複合焼結体を作製してその熱電特性を評価した結果、熱伝導率はZn0.90Mg0.10Oの添加量の増加に伴い単調に減少したものの、ゼーベック係数および電気伝導率はある添加濃度において最小値および最大値をとるなどキャリアの変調ドープによる効果のみからは説明できない結果が得られた。これは両粉末試料間における固溶が起こったためと推察された。
そこで2019年度（令和元年度）はその比較実験として、互いに固溶する恐れのないSi0.99B0.01粉末粒子とSiO2粉末粒子から成る複合焼結体を作製し、その熱電特性を評価した。その結果、SiO2粉末粒子の添加の増加とともに熱伝導率および電気伝導率は減少したが、前者が単調に変化したのに対し、後者はある添加量のところでその減少の度合いが小さくなる傾向が見られた。SEMにより材料組織を詳細に調べた結果、この現象はキャリアの変調ドープによる効果ではなく、粒子配列のパーコレーション効果によることが推察された。結果として、Si0.99B0.01にSiO2を20%程度添加することにより約10%の熱電変換性能向上が得られた。
|
| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
本研究の目的である、変調ドープ構造を持った複合焼結体については、Zn0.98Al0.02O粉末粒子とZn0.90Ng0.10O粉末粒子を複合化させることにより作製することができたが、両相の固溶が生じてしまうという問題が生じたため、この点についての検討が必要である。また、その研究過程において添加元素の固溶域の精密な評価が重要課題として生じたため、今後、NMR法などによる検討が必要である。
また、キャリアの変調ドープだけでなく、複合焼結体中における電気伝導性粒子のパーコレーション現象により、熱電変換性能が向上する可能性のあることが明らかとなったため、今後この点についての検討も新たに必要となった。
|
| Strategy for Future Research Activity |
２種類の粉末粒子から成る複合焼結体にキャリアの変調ドープを導入してPBET的特性を実現し、熱電変換材料の性能の向上を達成するためには、組み合わせる２種類の粉末粒子について、（１）価電子帯上部、伝導体下部のエネルギー準位およびバンドギャップ幅がほぼ等しいこと、（２）Phonon Blocking層において熱伝導率が低いこと、（３）Electron Transmitting層におけるキャリア密度が大きいことなどが必要である。これまで行ってきたAl添加ZnO粉末粒子とMg添加粉末粒子の組み合わせは上記の条件を満たしているが、両者の固溶の影響を避けられず、実験結果の解釈が難しいという問題があることがわかった。そこで、原子拡散が起こりにくい化合物の組み合わせについての検討が必要である。また、本研究の過程において明らかとなったZnOサイトへのAlの固溶域の拡大という問題に対して、NMRを用いた実験を行い、固溶域の詳細な検討を行いたい考えている。
さらに、導電性粒子のパーコレーションによる熱電性能向上の可能性についても検討を行っていきたいと考えている。
|
| Causes of Carryover |
本研究の開始時点では、酸化亜鉛ZnO系熱電変換材料について検討を行う予定であったが、研究を進めていく過程において、他の物質系においても検討を行う必要があることがわかった。さらに本研究で研究対象としたZnOではMgを添加することによりZnサイトへのAlの固溶域が拡大する可能性があることが明らかとなった。一般に熱電変換材料において添加元素の固溶域の変化は、その特性に影響を与えるため重要な検討事項であり、本研究の最終結果にも影響を及ぼす可能性のあるものである。これについての詳細な検討には27Al NMR実験など新たな追加実験が今後必要である。
さらに、研究を進める上で明らかとなった、パーコレーション現象による熱電性能向上の可能性についても新たな検討課題となったため、これら追加の検討に要する経費として2019年度の経費の一部を次年度使用額として充てることとした。
|
Research Products
(1 results)
