無毒で豊富な元素で構成される新規硫化物熱電素子の創製

2021 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 19K04362
• 研究機関: 津山工業高等専門学校
• 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)
• 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) ; 奥山 哲也 久留米工業高等専門学校, 材料システム工学科, 教授 (40270368) ; 荒木 秀明 長岡工業高等専門学校, 物質工学科, 教授 (40342480) ; 瀬戸 悟 石川工業高等専門学校, 電気工学科, 教授 (50216545) ; 山口 利幸 和歌山工業高等専門学校, 電気情報工学科, 教授 (60191235) [辞退] ; 志賀 信哉 新居浜工業高等専門学校, 環境材料工学科, 教授 (60235512) ; 加藤 岳仁 小山工業高等専門学校, 機械工学科, 教授 (90590125)
• 研究期間 (年度): 2019-04-01 – 2022-03-31
• キーワード: 熱発電素子 / 硫化銅スズ / 銀 / 固溶体 / 圧力 / 熱電材料 / 熱電素子 / 銅硫化物

研究実績の概要

希少元素や有毒元素を含まないCTSに着目し，化学圧力による熱電性能の向上に取り組んできた．昨年度までで銀添加量は多くし過ぎないほうが性能が良いことがわかった．そこで，本年度は，更なる高性能化を目指して，銀を含む試料（CATS）と含まない試料（CTS）を別々に合成し，混合した後，焼結する方法を採用した．これにより，最終的に作製された焼結体には銀を含む部分と含まない部分が生じ，一種の変調ドーピングが可能になると考えた．モル比で1:0.9:0.1に計量したCu2SとSnS2，In2S3に，CATSではAg2S，CuSをモル比でそれぞれ0.05と0.1，CTSでは0と0.2追加した原料を450℃と750℃で2時間ずつ加熱しCATSとCTSを合成した．混合するCATS粉体とCTS粉体の重量比を0.5から8.0まで変化させて，SPS法にて400℃，40MPaで焼結した．その結果，組成比に関しては，ほぼ狙い通り，Sn-poorが得られた．Ag/(Cu+Ag)比は銀の組成比が非常に小さく装置の検出限界付近なので有意なデータは得られなかった．結晶構造に関しては，従来と同様に主に立方晶と正方晶から構成されている．熱電性能に関しては，ゼーベック係数と熱伝導率に関しては，粉体の混合比への依存性は少なかった．一方，電気伝導率は，粉体の混合比に関わらず性能の高いグループと低いグループの二つに分かれた．このように再現性にやや問題はあるものの，最終的に300 ℃で無次元性能ZTの最大値は0.29を得ることができた．これは他の研究機関で高度な方法で作製されたCTS熱発電素子の同じ温度での性能指数と比較しても遜色ない値である．

研究成果

• [学会発表] Ag添加Cu2SnS3熱発電素子 (2022)
  • 著者名/発表者名: 中村重之，仲野茂翠，鳥越崇太，岡崎遠和，髙橋龍輝，志賀信哉，荒木秀明，赤木洋二，武田雅敏
  • 学会等名: 第６９回応用物理学会春季学術講演会
• [学会発表] Ge添加Cu2SnS3熱発電素子の焼結圧力の影響 (2021)
  • 著者名/発表者名: 髙橋龍輝，中村重之，志賀信哉，荒木秀明， 赤木洋二，武田雅敏
  • 学会等名: 令和３年度 応用物理学会 多元系化合物・太陽電池研究会 年末講演会