熱電発電セラミックス材料第15回セラミックス放談会 1998年6月6日千葉大工学部西山伸話す内容 • 熱電発電概論 – 熱電発電とは – 熱電発電材料に求められる特性：性能指数 – Jonker Plot による熱電変換効率の評価 – キャリア濃度の最適化とその評価 • 各論１．n型酸化物半導体 – 酸化物半導体 – ｎ型熱電材料 – Zn2SnO4 – ZnSb2O6 – MgIn2O4 – その他 • 各論２．p型酸化物半導体 – p型熱電材料 – La2CuO4 – La2NiO4 – Nd2NiO4 – NaCo2O4 • 各論３．ｐ－ｎ両用酸化物 – BaIn2O4 • まとめ熱電発電素子のゼーベック効果を用いて熱を電気に変換する方法 • 特徴 – 小型軽量 – 無騒音 – 環境にやさしい • 現状での利用 – 人工衛星用発電 – 腕時計 – 焼却炉の廃熱利用発電 H.T. L.T. e e e (+) (-) V ゼーベック効果変換効率の高い材料が必要！熱電発電材料に求められる特性 • 高い変換効率 • 高温安定性(耐熱性、化学的安定性) • p型－n型半導体 • 環境安全性 - 高いゼーベック係数(α) - 高い電気伝導度(σ) - 低い熱伝導率(κ) ・熱電変換性能指数 2 Z =  パワーファクター：熱電変換の電気的指標 2 =   P キャリア濃度減少 σ 減少 α 増加キャリア濃度増加 σ 増加 α 減少 2.0 12 2 0.5 1 6 4 2 0.0 0 20 22 24 c/m 26 -3 28 30 0 2 SmV K 1.0 -3  2 3 -1 -1 7  / 10 S m 8   / mVK 4 1.5   / 10 10 2  -2 5 Jonker Plot 500 k N  = ln( ) + A e c  = ec   = const. 400 | | / VK-1 電気伝導度の対数とゼーベック係数の関係 300   = - a log  + b 200 | | = 2/ln10 · a 100 ただし、 | | = -a log  + b 0 0 1 log ( / S·cm-1) 2 a = ln10 × k  198 VK-1 e k (ln  Ne + A ) b= e Jonker Plotより最高の PowerFactorとなる条件を導く Power Fact or 一定の直線を  2 = P とする。この式と  = - a log + b から、  を消去すると、 P  = - a log 2 + b  となる。ここで、それぞれの文字を任意の単位で除して無次元数に置き換える。  = - 2a log + alogP - b = 0 ここで、左辺を αの関数として f ( ) とおく。 f ( ) =  - 2a log + a logP - b df ( ) 2a 1 = 1 ln10 d ここで、直線と曲線が接しているとき df ( ) =0 d  2 = a  0.87 a ln 10 b 2 b log  =  - 0.87 a ln 10 a キャリア濃度の最適化とその評価 300 ZnSb2O6 -system || / VK -1 250 200 La2CuO4 150 100 50 0 Mg1-x Cu x In2O4 0.5 1.0 1.5 log (  / S cm ) -1 2.0 ・キャリア濃度の異なる一連の熱電変換材料の電気伝導度とゼーベック係数の測定結果より、最適なキャリア濃度での熱電変換の性能を評価できる。 → 材料本来の熱電変換性能を評価することができる。