Transcript 熱電発電セラミックス材料

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
2
-3
1.0
0
2

  / 10
3
-1
-1
S m
7
 / 10
8

 / m VK
4
1.5
S m V K
10
2
 
-2
5
Jonker Plot
電気伝導度の対数と
ゼーベック係数の関係
500
|  | /  V K -1
   = const.
k
400
 = 
300
 = ec 

200
e
ln (
N
c
) + A
 = - a lo g  + b
|  | = 2/ln10 · a
100
ただし 、
|  | = -a log  + b
0
0
1
2
a = ln 10 ×
lo g (  / S ·cm -1 )
b =
k
e
k
e
 198  V K
(ln  N e + A )
-1
Po we r Fa c t o r 一 定 の 直 線 を
 2 = P
Jonker Plotより
最高の
PowerFactorとなる
条件を導く
と する 。 こ の式と
 = - a lo g + b
から 、  を 消去する と 、
 = - a lo g
P
+ b
2
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 lo g + a lo g P - b = 0
こ こ で 、 左 辺 を α の 関 数 と し て f ( ) と お く 。
f ( ) =  - 2a lo g + a lo g P - b
d f ( )
2a
1
= 1 ln 10
d
こ こ で 、 直線と 曲線が接し て いる と き
d f ( )
d

= 0
 =
lo g  =
2
ln 10
b
a
-
a  0.87 a
2
ln 10

b
a
- 0.87
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。