産業廃棄物シリコンを用いた環境半導体材料マグネシウムシリサイド排熱発電素子の開発

2010 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 21360136
• Research Institution: Tokyo University of Science
• Principal Investigator: 飯田 努 東京理科大学, 基礎工学部, 准教授 (20297625)
• Keywords: 熱電変換 / 半導体 / 環境半導体 / マグネシウムシリサイド / 結晶育成 / 放電プラズマ焼結

Research Abstract

当該研究では、排熱を実用温度域(200～500℃)で直接電気エネルギーに変換し排熱再資源化を実現する「環境低負荷型排熱発電モジュールの開発」を主目的としている。
具体的には高変換効率(～10%以上)が期待される高効率熱電変換材料Mg_2Si:シリサイド環境半導体を高品質・省プロセスにより合成し、以下に示す当該Mg_2Siによる熱電変換素子モジュールの実用化および実装フィールドテストの実施を目指す。
(1). 量産可能な材料合成手法により作製された不純物添加-Mg_2Siの応用物性・工業用原料製造プロセスを開発(2). 産業廃棄物シリコン(Si)原料を100%使用したMg_2Siについて、新製法を導入し、材料レベルで変換効率10%超(n形)を指向、(3).Mg_2Siにおいて発電性能および高温耐久性を向上させる不純物元素に関しドーピングの基礎データを蓄積、(4).n形・p形ペア構造Mg_2Siもしくはn形-Mg_2Siの単独利用排熱発電モジュールの試作と高温炉でのフィールドテストを実施
本年度(2010年度)は上記(1)～(3)に関連した要素技術内容について、以下の項目を実施し知見を得た。
(I). 発電性能および高温耐久性を向上させる不純物元素の特性に関する研究開発
(1). 従来用いられてきたAl, Bi, Sb以外の新規不純物元素の添加および放電焼結プロセス開発
[成果]:n形Mg_2Siに関して、新規不純物元素5種を合成時に導入し、15mm径の焼結ペレットを再現よく製造する方法を確立した。このうち、2種が発電性能の向上を示し、1種は高温での酸化劣化を抑制する効能があることを見いだした。
(2). 発電モジュールを作製する際に必要なMg_2Siへの金属電極を接合する技術の開発
[成果]:放電焼結法およびNi無電解めっき法によるオーミック金属電極の作製法を確立した。放電焼結法ではNi電極に加え、Niより接触抵抗を低減できる新規金属電極材料を複数見いだした。
(3). 放電焼結法による大口径ペレット作製に関する開発
[成果]:Mg_2Siは大口径(～50mm径)の焼結ペレットを作製する際には、試料のひび割れや電極剥離等の問題が生じていたが、新焼結プロセスおよび原料調製により30～50mm径のペレット作製が可能となった。

Research Products

• [Journal Article] Thermoelectric properties and power generation characteristics of sintered undoped n-type Mg_2Si (2011)
  • Author(s): T. Sakamoto, T. Iida, N. Fukushima, Y. Honda, M. Tada, Y. Taguchi, Y. Mito, H. Taguchi, and Y. Takanashi
  • Journal Title: Thin Solid Films Volume: 519 Pages: 8528-8531
  • DOI: DOI:10.1016/j.tsf.2011.05.031
• [Journal Article] Thermoelectric behavior of Sb- and Al-doped n-type Mg2Si devices under large temperature differences (2011)
  • Author(s): T.Sakamoto, T.Iida, et al
  • Journal Title: Journal of Electronic Materials Volume: (In-press)(On-line available)
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Thermoelectric characteristics of commercialized Mg_2Si source doped with Al, Bi, Ag and Cu (2010)
  • Author(s): T. Sakamoto, T. Iida, J. Sato, A. Matsumoto, Y. Honda, T. Nemoto, J. Sato, T. Nakajima, H. Taguchi, and Y. Takanashi
  • Journal Title: Journal of Electronic Materials Volume: 39 Pages: 1708-1713
• [Journal Article] Characteristics of a pin-fin structure thermal-to-electric uni-leg device using a commercial n-type Mg_2Si source (2010)
  • Author(s): T. Nemoto, T. Iida, J. Sato, Y. Oguni, A. Matsumoto, T. Miyata, T. Sakamoto, T. Nakajima, H. Taguchi, K. Nishio, and Y. Takanashi
  • Journal Title: Journal of Electronic Materials Volume: 39 Pages: 1572-1578
• [Journal Article] Direct thermal-to-electric energy conversion material of environmentally-benign Mg_2Si synthesized using wasted Si sludge and recycled Mg alloy (2010)
  • Author(s): Y.Honda, T.Iida, et al
  • Journal Title: Mater.Res.Soc.Proc. Volume: 1218 Pages: Z05-17
  • Peer Reviewed
• [Presentation] Fabrication of an environmentally-benign Al-doped Mg_2Si thermal-to-electric conversion module by using industrial Si waste and recycled Mg alloy (2010)
  • Author(s): T. Sakamoto, T. Iida, S. Kurosaki, H. Taguchi, Y. Takanashi, S. Sakuragi, Y. Taguchi, Y. Mito, T. Nemoto, T. Nakajima
  • Organizer: 1^<ST> INTERNATIONAL CONFERENCE ON MATERIALS FOR ENERGY
  • Place of Presentation: Karlsruhe, Germany
  • Year and Date: 20100704-08
• [Presentation] Electrical characteristics and thermal stability of metal electrodes for n-type Mg_2Si prepared by monobloc plasma activated sintering process (2010)
  • Author(s): M.Tada, T.Iida, et al
  • Organizer: MATERIALS RESEARCH SOCIETY, 2010 Fall Meeting
  • Place of Presentation: Boston, USA
  • Year and Date: 2010-11-30
• [Presentation] Thermoelectric properties of sintered Mg_2Si fabricated using commercial Al-doped n-type polycrystalline sources (2010)
  • Author(s): Y.Honda, T.Iida, et al
  • Organizer: ASIA-PACIFIC CONFERENCE ON SEMICONDUCTING SILICIDES 2010
  • Place of Presentation: Tsukuba, Japan
  • Year and Date: 2010-07-26
• [Presentation] Thermoelectric behavior of Sb- and Al-doped n-type Mg_2Si device under large temperature differences (2010)
  • Author(s): T.Sakamoto, T.Iida, et al
  • Organizer: IEEE 29^<th> INTERNATIONAL CONFERENCE ON THERMOELECTRONICS
  • Place of Presentation: Shanghai, China
  • Year and Date: 2010-06-01
• [Presentation] Thermoelectric properties of sintered Mg_2Si fabricated using commercial Al-doped n-type polycrystalline sources (2010)
  • Author(s): Y.Sakamoto, T.Iida, et al
  • Organizer: MATERIALS RESEARCH SOCIETY, 2010 Spring Meeting
  • Place of Presentation: San Fancisco, USA
  • Year and Date: 2010-04-08
• [Remarks] 研究室ホームページ
  • URL: http://web.mac.com/iida_lab/Info/Home.html
• [Patent(Industrial Property Rights)] 蓄熱装置及び蓄熱装置を備えるシステム (2011)
  • Inventor(s): 東京理科大学:飯田努、企業3名
  • Industrial Property Rights Holder: 東京理科大学, 他、企業3社
  • Industrial Property Number: 特願2011-075255
  • Filing Date: 2011-03-30
• [Patent(Industrial Property Rights)] 熱電変換素子及び熱電変換モジュール (2010)
  • Inventor(s): 東京理科大学:飯田努
  • Industrial Property Rights Holder: 東京理科大学
  • Industrial Property Number: 特願2010-266599
  • Filing Date: 2010-11-30