| 研究課題/領域番号 |
22K04081
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分21010:電力工学関連
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| 研究機関 | 津山工業高等専門学校 |
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研究代表者 |
中村 重之 津山工業高等専門学校, 総合理工学科, 教授 (80207878)
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| 研究分担者 |
赤木 洋二 都城工業高等専門学校, 電気情報工学科, 准教授 (10321530)
荒木 秀明 長岡工業高等専門学校, 物質工学科, 教授 (40342480)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
3,510千円 (直接経費: 2,700千円、間接経費: 810千円)
2024年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
2023年度: 1,300千円 (直接経費: 1,000千円、間接経費: 300千円)
2022年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
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| キーワード | 三硫化二銅スズ / 熱発電素子 / 電極 / 接触抵抗 / 中間層 / アルミニウム / 熱電 / 熱電モジュール / Cu2SnS3 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
本研究では，資源存在量が多く毒性の低い元素で構成されている三硫化二銅スズ（Cu2SnS3：以下CTS）を用いた熱発電素子の開発を目指している．申請者は，これまで簡易な合成・焼結法によるCTS熱発電素子の作製に成功している．CTS熱発電素子の研究は国内外共に材料開発に偏っており，モジュール開発など実用化に向けた研究は行われていない．電極と素子を同時に作製する方法を採用し，素子に硫黄を含むので電極材料（金属）が硫黄と反応しないような原料や条件を見出すことで，CTS熱発電素子の実用化へ向けて第一歩となる電極を形成することを目指す．
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| 研究実績の概要 |
本研究では，資源存在量が多く毒性の低い元素で構成されている三硫化二銅スズ（Cu2SnS3：CTS）を用いた熱発電素子において，電極と素子を同時に作製する方法を採用し，実用化へ向けて第一歩となる電極を形成することを目指した．１年目の研究で，電極材料としてアルミニウム（Al）が適していることが分かり，その接触抵抗が2.8 Ωcm2程度であることが分かった．そのため，その低減を目指して電極とCTS素子の間にバッファとなる中間層を挿入することにした．中間層として，①二元硫化物（Cu2S，CuS，In2S3，SnS2），②AlおよびCTSを混合した粉体を試みた．後者では，CTSとAlの接触面積が増えることによる接触抵抗の低下を期待した．
Cu2SとSnS2にCuSとIn2S3を追加した原料を加熱して合成したCTS粉体を焼結し熱電素子を作製した．その際CTS粉体の上下に中間層材料を追加し，更にその外側に電極材料となるAl粉末を追加した．
前者では，In2S3とSnS2は焼結できなかった．Cu2SとCuSでの接触抵抗は，それぞれ2.89 Ωcm2と0.042 Ωcm2となり，CuS中間層が接触抵抗の低減に有効なことが分かった．これは，Cu2Sの電気伝導率が1.18×10^4 S/mとCTSのそれよりわずかに大きいだけであるのに対しCuSのそれが8.15×10^5 S/mとCTSやCu2Sより2桁近く大きいからと考えられる．後者では，AlとCTSの重量比Al:CTS=3:7 (Al/CTS=0.43)，Al:CTS=1:1 (Al/CTS=1)，Al:CTS=7:3 (Al/CTS=1.33)の3種類で実験した．接触抵抗は，Al:CTS=3:7で0.086 Ωcm2，1:1 で0.13 Ωcm2，3:7で0.21 Ωcm2となり，この混合比の範囲ではAlの比率が小さい方が接触抵抗が低くなった．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
3: やや遅れている
理由
接触抵抗の低減に時間と労力を割いたため２年目の目的である，「③高い接触抵抗の原因の推定」「②-1高温時の結晶構造を高温中その場観察」ができなかったので，この評価とした．
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| 今後の研究の推進方策 |
測定に関しては，高温ラマン散乱を予定通り，行っていきたい．これらの測定から，試料に関するより詳細な情報が得られるため，それをもとに，より高性能な素子が作製できる条件を探って行きたい．
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