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誘電体を活用したハイブリッド熱電材料の創製によるトレードオフ呪縛からの解放

研究課題

研究課題/領域番号 18K04000
研究種目

基盤研究(C)

配分区分基金
応募区分一般
審査区分 小区分19020:熱工学関連
研究機関国立研究開発法人物質・材料研究機構

研究代表者

篠原 嘉一  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, 副拠点長 (70343853)

研究期間 (年度) 2018-04-01 – 2021-03-31
研究課題ステータス 完了 (2020年度)
配分額 *注記
4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)
2020年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
2019年度: 1,690千円 (直接経費: 1,300千円、間接経費: 390千円)
2018年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
キーワード熱電材料 / ハイブリッド / 出力因子 / 誘電体
研究成果の概要

熱電発電の性能は材料の出力因子(ゼーベック係数の二乗と電気伝導率の積)で支配されるが、ゼーベック係数と電気伝導率はトレードオフの関係にある。本研究では、高電気伝導率&低ゼーベック係数、低電気伝導率&高ゼーベック係数の二種類の材料で構成されるハイブリッド多層膜をスパッタ成膜し、膜厚の比率と熱電特性の相関を検討した。高電気伝導率&低ゼーベック係数の層の膜厚比率が小さい場合に、ハイブリッド膜の出力因子が構成材料を上回ることが見いだされた。熱電材料粉末に金属微粉を微量混合してホットプレス成形したバルクハイブリッド材料でも、ハイブリッド膜と同様に出力因子が~90%増加することが見いだされた。

研究成果の学術的意義や社会的意義

ゼーベック係数と電気伝導率はトレードオフの関係にあり、ゼーベック係数と電気伝導率を独立に制御して、出力因子を向上させることはできない。これは材料中で同じキャリア(n型では電子、p型では正孔)が熱輸送と電荷輸送の両方を担っていることが原因である。本研究では、材料内部に熱流経路と電荷流経路を造り分けて機能分担させることにより、出力因子を向上されることが可能であることを見出した。

報告書

(4件)
  • 2020 実績報告書   研究成果報告書 ( PDF )
  • 2019 実施状況報告書
  • 2018 実施状況報告書
  • 研究成果

    (15件)

すべて 2021 2020 2019 2018

すべて 雑誌論文 (4件) (うち国際共著 3件、 査読あり 4件、 オープンアクセス 2件) 学会発表 (8件) (うち国際学会 1件、 招待講演 7件) 図書 (3件)

  • [雑誌論文] The Conducting Fibrillar Networks of a PEDOT:PSS Hydrogel and an Organogel Prepared by the Gel-film Formation Process2021

    • 著者名/発表者名
      R. Maeda, Y. Shinohara, H. Kawakami, Y. Isoda, I. Kanazawa, M. Mitsuishi
    • 雑誌名

      Nanotehcnology

      巻: 32 号: 13 ページ: 135403-135409

    • DOI

      10.1088/1361-6528/abd1a9

    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] A practical appraisal of thermoelectric materials for use in an autonomous power supply2019

    • 著者名/発表者名
      Takagiwa Yoshiki、Shinohara Yoshikazu
    • 雑誌名

      Scripta Materialia

      巻: 172 ページ: 98-104

    • DOI

      10.1016/j.scriptamat.2019.07.022

    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
    • 査読あり / オープンアクセス / 国際共著
  • [雑誌論文] Thermoelectric properties of PEDOT/PSS films prepared by a Gel-film formation process2019

    • 著者名/発表者名
      R. Maeda, H. Kawakami, Y. Shinohara, I. Kanazawa, M. Mitsuishi
    • 雑誌名

      MATERIALS LETTERS

      巻: 251 ページ: 169-171

    • DOI

      10.1016/j.matlet.2019.05.005

    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] 熱電発電に用いる熱電材料およびその製造方法の選択2018

    • 著者名/発表者名
      篠原嘉一
    • 雑誌名

      エコデザイン・プロダクツ&サービス 2018シンポジウムProceedings

      巻: ー ページ: 93-95

    • 関連する報告書
      2018 実施状況報告書
    • 査読あり
  • [学会発表] Environmental effect of Thermoelectric Materials and Synthesis Processes for GHG Reduction2020

    • 著者名/発表者名
      Y. Shinohara, M. Shibuya, T. Okabe
    • 学会等名
      Materials Research Meeting2020
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 国際学会 / 招待講演
  • [学会発表] 熱電材料とその応用の現状について2020

    • 著者名/発表者名
      篠原嘉一、高際良樹、磯田幸宏、渋谷直哉、前田涼太
    • 学会等名
      第30回日本MRS年次大会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] WあるいはWSi2粉末と混合したMg2SiSn系材料の熱電特性2020

    • 著者名/発表者名
      磯田幸宏、多田智紀、鵜殿治彦、篠原嘉一
    • 学会等名
      第17回 日本熱電学会学術講演会
    • 関連する報告書
      2020 実績報告書
  • [学会発表] The Next Direction of Thermoelectric Materials for Power Generation2019

    • 著者名/発表者名
      篠原嘉一、前田諒太
    • 学会等名
      日本MRS創立30周年記念シンポジウム
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 発電用熱電材料の現状について2019

    • 著者名/発表者名
      篠原嘉一、磯田幸宏、高際良樹、後藤真宏
    • 学会等名
      第29回日本MRS.年次大会
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 日本のthermoelectricsを振り返る(令和元年,ZT を知る)2019

    • 著者名/発表者名
      篠原嘉一
    • 学会等名
      第16回日本熱電学会学術講演会
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 熱電発電の社会実装に向けた熱電材料および合成プロセスのエネルギーペイバック時間の評価2018

    • 著者名/発表者名
      篠原嘉一、渋谷直哉、岡部敏弘
    • 学会等名
      第28回MRSJ年次大会
    • 関連する報告書
      2018 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [学会発表] 熱電発電に用いる熱電材料およびその製造方法の選択2018

    • 著者名/発表者名
      篠原嘉一
    • 学会等名
      エコデザイン・プロダクツ&サービス 2018シンポジウム
    • 関連する報告書
      2018 実施状況報告書
    • 招待講演
  • [図書] Thermoelectric Power Generation from Waste Heat、Handbook of Ecomaterials2019

    • 著者名/発表者名
      Y. Shinohara、O. Umezawa
    • 総ページ数
      19
    • 出版者
      Springer
    • ISBN
      9783319682549
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
  • [図書] 車載用高効率熱電変換材料、サーマルデバイス2019

    • 著者名/発表者名
      篠原嘉一
    • 総ページ数
      7
    • 出版者
      NTS
    • ISBN
      9784860436025
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書
  • [図書] Growth of Ecomaterials and Eco-efficiency in Major Metallic Structural Materials、Handbook of Ecomaterials2019

    • 著者名/発表者名
      O. Umezawa、Y. Shinohara、K. Halada
    • 総ページ数
      35
    • 出版者
      Springer
    • ISBN
      9783319682549
    • 関連する報告書
      2019 実施状況報告書

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公開日: 2018-04-23   更新日: 2022-01-27  

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