2021 Fiscal Year Annual Research Report
未利用低温熱源を利活用する高出力温度差発電材料の創製
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20H02469
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| Research Institution | National Institute for Materials Science |
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Principal Investigator |
高際 良樹 国立研究開発法人物質・材料研究機構, エネルギー・環境材料研究拠点, グループリーダー (90549594)
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| Project Period (FY) |
2020-04-01 – 2023-03-31
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| Keywords | 熱電材料 / 発電モジュール / 電子状態計算 / フォノン計算 / 機械学習 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題の目標は「鉄・アルミニウム・シリコン系新規温度差発電材料(FAST材)」を基軸として、ビスマス・テルル系既存材料に匹敵する出力特性を達成し、室温での微小温度差発電を可能とする新材料を創製することである。対象となるFAST材はFe3Al2Si3相を主相とする。Fe3Al2Si3相は広い生成組成域を有し、AlとSiを20at%程度置き換えることができる。この特徴を活かしてAlとSiの割合を変えるだけで、フェルミ準位を価電子帯から伝導帯まで連続的に変化させることにより、P型およびN型FAST材の作り分けが可能となる。また、重元素を含まない合金系であるにも関わらず、複雑な結晶構造を有することに起因して比較的低い格子熱伝導率を示すことが特徴である。
現状では理論計算から予測されるSeebeck係数の値を下回っており、出力特性が低下する主な要因となっている。FAST材の出力性能を向上させるためには、高純度化および精密なキャリア濃度調整が必要となる。第一原理計算からは、P型・N型ともに150μV/Kを越える高いSeebeck係数が得られることが予測されており、２年目は新たにメルトスピン法や傾角鋳造法といった冷却速度の速いプロセスを導入することによって、室温で150μV/Kを越える高いゼーベック係数を有するFAST材の創製に成功した。
また第一原理計算を用いた網羅的なスクリーニングにより、性能向上に資する第四元素を選定し、実験により材料合成、マッピング計測を含めた熱電物性評価を行った。四元系においては状態図もより一層複雑になることから、最適組成の探索は困難になることが予想される。我々はFAST材の性能向上に機械学習(ベイズ最適化手法)が有効であることを明らかにしており、最適な置換濃度の決定を実験と機械学習を併用して決定した。
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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
「鉄・アルミニウム・シリコン系新規温度差発電材料(FAST材)」を基軸として、ビスマス・テルル系既存材料に匹敵する出力特性を達成し、室温での微小温度差発電を可能とする新材料を創製するという挑戦的な目標に向けて着実に研究が進展している。
２年目は高いゼーベック係数を示すFAST材の合成プロセスを明らかにし、冷却速度がキーパラメタになることを突き止めた[論文投稿準備中]。また、性能向上に向けた取り組みとして、第四元素の導入を検討し、Coを置換することによりn型の出力特性を向上させ、473Kにて750 μW m－1 K－2の電気出力因子を得た。この値は、報告されている中で最も高いn型特性である。さらに、FAST材を用いた小型・高集積モジュールを試作し、発電テストを行った。基板にはセラミックスおよび樹脂基板を用いて、出力評価結果とコストの両面から検討を行っている。現状、樹脂基板を用いたモジュールはセラミックス基板のモジュールと比較して約70%の出力に留まっているが、今後接合条件を改善することによる出力性能の向上が期待される。以上のように、材料の高性能化に資する合成プロセスの探索、第四元素置換の可能性を明らかにし、さらに、モジュールの出力向上への道筋を明らかにしている点で、進捗状況は「おおむね順調に進展している」と判断できる。
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| Strategy for Future Research Activity |
２年目に行った種々の作製プロセスの検討により、冷却速度の速い合成プロセスが単相性および熱電性能の向上に寄与することが判明した。最終年度は、主として傾角鋳造法を用いて、FAST材の精密キャリア濃度調整を行い、熱電特性を最大化させる。併せて、各種特性のマッピング計測や光電子分光実験により、熱電性能を向上させるための材料設計指針の構築を目指す。得られた高性能FAST材を用いて発電モジュールを試作し、出力性能評価および耐久性評価を実施し、社会実装に向けた課題を抽出する。
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