Improvement of dimensionless figure of merit of environmentally-friendly thermoelectric materials for IoT applications

2023 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20K15221
• Research Category: Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
• Allocation Type: Multi-year Fund
• Review Section: Basic Section 31020:Earth resource engineering, Energy sciences-related
• Research Institution: University of Miyazaki
• Principal Investigator: Nagaoka Akira 宮崎大学, 工学部, 准教授 (70784271)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2024-03-31
• Keywords: 熱電材料 / 熱電発電デバイス / 機能性材料 / 単結晶 / 粒界

Outline of Final Research Achievements

We investigated the functional grain-boundaries for high performance thermoelectric Cu2ZnSnS4 (CZTS) exceeding dimensionless figure of merit ZT value of 1.0. Σ3 grain-boundaries were charge neutral in CZTS, which is effective for improvement of thermoelectric properties.
Conversion of p-n conduction is required for the realization of a CZTS-based thermoelectric device. n-type (Cu1-xAgx)2ZnSnS4 (CAZTS) can be obtained by controlling Ag-alloying.We report the p-type CZTS-based single-leg thermoelectric device with conversion efficiency of 4% at a temperature difference of 473 K.

Free Research Field

材料工学

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

超スマート社会の実現に向けて、様々な環境下において各種IoTセンサー駆動のための環境調和型独立電源の技術が求められおり、環境中の「温度差」を活用する熱電発電は適している。しかし、これまでの熱電材料は、希少元素や毒性元素が含まれており、環境中の温度差を利用した自立電源として大規模な普及を目指すためには、低コストかつ環境調和した熱電発電デバイス開発が望まれる。
本研究では、環境調和型Cu2ZnSnS4 (CZTS)の更なる熱電特性向上に特化した機能性粒界を探索し、材料設計指針を示した。CZTSベースの熱電デバイスの作製に成功し、数百時間動作後でも発電特性はほぼ変化しないことを明らかにした。