2014 Fiscal Year Research-status Report
環境半導体クラスレート系熱電材料の創製とその熱電発電デバイスの開発
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25420763
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| Research Institution | Tokyo University of Science, Yamaguchi |
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Principal Investigator |
阿武 宏明 山口東京理科大学, 工学部, 教授 (60279106)
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| Project Period (FY) |
2013-04-01 – 2016-03-31
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| Keywords | 排熱有効利用 / 熱電変換 / クラスレート / シリコン / 熱電素子 / 元素置換 / 機械的特性 / 弾性定数 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
省エネルギー・環境共生型社会の実現に向けて、膨大な量の未利用排熱を電気エネルギーに直接変換する熱電発電技術の実用化が切望されている。本研究は、資源量豊富で毒性が低く安価・低コストの元素からなる半導体シリコン（Si）クラスレート系材料のｐｎ制御と熱電特性の最適化を行い、さらに耐酸化性・耐熱性に優れたSiクラスレート系熱電発電素子を開発することを目的としている。
1. 環境半導体クラスレート熱電材料の開発
(1) n型熱電特性の最適化：H25年度に試験したSiホスト元素置換の新規手法である二元素同時添加において、置換・添加元素を絞り、その添加量を制御した試料を作製した。合成した試料の粉末X線回折結晶構造解析、SEM組織・構造観察、組成分析等、多角的に結晶学的特性を評価した。そして、ゼーベック係数、電気伝導率、熱伝導率、およびキャリア濃度の二元素添加量依存性を明らかにすると共に、単一元素添加の場合との比較実験結果から、二元素同時添加によりキャリア濃度が最適値に向けて低減し熱電性能が向上する効果のあることを確認した。しかし、依然として最適キャリア濃度は実現できていないため、今後はプロセスの改善や他の候補元素の同時添加効果について調査を展開していく。
2. 環境半導体クラスレート熱電素子開発
(1) 熱的・機械的特性の評価・解析：熱電素子に温度差を加えたときに発生する熱応力・内部応力を緩和する金属電極接合・素子構造を考察・設計するために必要となる熱的・機械的特性の測定を、基本的なSiクラスレート材料について進め、弾性定数（ヤング率）、破壊靭性値、ビッカース強度を明らかにした。
(2) 素子設計と素子化要素技術の開発：Siクラスレート材料における熱電特性の温度依存性のデータから、出力特性シミュレーションを行った。出力・効率に対して最適な素子形状を設計するための基礎的データを得ることができた。
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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
1. 環境半導体クラスレート熱電材料の開発では、同時元素添加法はキャリア濃度を最適値に向けて低減する効果のあることを明らかにし、その結果として熱電性能が向上することに成功した。さらに、2. 環境半導体クラスレート熱電素子開発では、Siクラスレート材料について、実用面で重要となる機械的特性の評価が順調に進み、弾性定数（ヤング率等）をはじめ、これまでSiクラスレートでは不明であった破壊靭性値やビッカース強度などの機械的特性を本研究で初めて明らかにした。このように当初計画が順調に進み有益な成果が充分に得られている。
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| Strategy for Future Research Activity |
1.環境半導体クラスレート熱電材料の開発
(1) n型熱電特性の最適化：前年度に引き続き二元素同時添加を他の候補元素にも展開し、熱電特性のキャリア濃度依存性ならびに熱電性能に関わる重要な物性（有効質量・キャリア移動度・格子熱伝導率）のキャリア濃度依存性のデータ取得と詳細解析を進め、それに基づいて熱電特性向上のための材料開発の最適化を進める。併せて二元素同時添加プロセスの改善についても検討する。詳細な実験データの解析および電子構造計算に基づく理論的解析を進め、Siクラスレートにおける材料設計手法の考察およびその熱電特性への効果を解明する。(2) p型熱電材料の開発：H26年度までに検討・見出した中から有望な系の試料合成を進め、組成制御や元素置換等による熱電特性の最適化を図ると共に熱電素子へ活用する。
2. 環境半導体クラスレート熱電素子開発
(1) 熱的・機械的特性の評価・解析：合成した新規材料の中で重要なものについては随時H26年度までと同様の機械的特性の評価・解析を進める。機械的特性の評価対象をGeクラスレート系やSnクラスレート系に広げ、系依存性、添加元素依存性、添加量依存性などを明らかにして、Siクラスレートの優位点・課題を明確にする。(2) 素子設計と素子化要素技術の開発：H26年度までに見出した接合方法の改善・工夫を進めていく。キャリア濃度最適化により熱電性能を向上させたｎ型Siクラスレートや新規に開発したｐ型材料を使った素子を作製し、その接触抵抗の測定、界面状態の観察、界面組成分布の評価、耐熱性や耐酸化性の評価、発電出力特性の評価などを行い、クラスレート系熱電素子の総合的な評価と技術開発の課題点を明確にする。
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| Causes of Carryover |
人件費・謝金が当初計画より減った。その分は研究推進ために他の項目で有効に活用すると共に、H27年度も引き続き物品費等に活用する。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
材料や素子の開発研究のための経費に充てる予定である。
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