熱電変換の紹介と その応用について 埼玉大学 大学院理工学研究科 長谷川 靖洋 hasegawa@mail.saitama-u.ac.jp http://www.env.gse.saitama-u.ac.jp/hasegawa/ Tel&Fax:048-858-3757
熱電変換研究の歴史 7/24 1821年 ゼーベックによるゼーベック効果の発見 1834年 ペルチェによるペルチェ効果の発見 1851年 トムソンによるトムソン効果に関する実験証明 1929年 ヨッフェによる理論研究(化合物半導体使用の提案) 1940年代 ソ連軍で パルチザンの飯ごう の使用 無線 通信用電源 1954年 BiTe系材料の開発(1960年代から市販) 1961年 熱電変換素子を使用した人工衛星の打ち上げ成功 1977年 ボイジャー２号の打ち上げ成功 1980年代 様々な材料系の開発 1990年代前半 量子効果を用いた熱電素子の理論 開発 1990年代後半 酸化物材料を用いた熱電素子の理論 開発 2007年 Si を使った熱電素子の開発 現在 開発はどこに向かう
Q in = αt c I 1 2 RI 2 KΔT Q out = αt R I + 1 2 RI 2 KΔT R = ρ L A K = κ A L
ΔT max = T R 1 Z Maximum ΔT [K] 80 60 40 20 0 1 + 2Z(T R + Q in K ) 1 Z = α 2 RK = α 2 ρκ -20 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 Heat [W]
Z = α 2 RK = α 2 ρκ ZT = α 2 ρκ T ( ) 2 ZT = α 2 6 200 10 T = 300 = 0.8 1 ρκ 1.0 10 5 1.5
様々な材料のＺＴ値 様々な材料のＺＴ値 1.5 n-pbte p-zn4 Sb3 p-cefe4 Sb12 TAGS p-bi-te n-mg2si 1 ZT n-cosb3 n-bi-te ＺＴには温度依存性がある 各材料に対して 使用温度 範囲が決まる 使用用途によって 材料を 選択 様々な温度領域での材料開 発が必要 p-si0.2 Ge0.8 0.5 ペルチェ 冷却用 廃熱発電用 0 13/24 室温 p-mnsi1.75-x 人工衛星 惑星探査 衛星電源用 500 1000 K) 現在までの使用温度範囲 ペルチェ素子 室温付近 発電用(宇宙空間) 1000K程度
ZT = α 2 ρκ T
Fabrication method High pressure injection Electrodeposition Vapor-phase Ulitovsky OFF-ON
8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 10 20 30 40 50
8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 0 2 4 6 8 10 200 150 100 50
30 25 20 15 10 5 0 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0 2 4 6 8 10 0.0 ZT
8,000 6,000 4,000 2,000 1.5 1.0 0.5 0 0 2 4 6 8 10 ZT 0.0