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阪大・高知工科大・東邦大など、環境調和型SiGe材料で最高の熱電変換出力因子を室温近傍で達成

2021/1/29 1:01
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発表日:2021年01月29日

身近な生活廃熱の発電利用に向けた室温SiGe熱電材料

―宇宙船で使われる材料を身近に:独自方法論により熱電変換出力3倍増大を実証―

【研究成果のポイント】

◆ 環境に調和したシリコンゲルマニウム(SiGe)(※1)熱電材料において、電気伝導率とゼーベック係数(※2)の同時増大を実現し、室温近傍で高い熱電変換出力因子を得ることに成功した。

◆ 熱電変換において、大きな電気伝導率とゼーベック係数が必要であるが、相関があるため両物性値を同時に増大させることは困難であった。このことが廃熱を電気に変える最大の障害となっていた。

◆ 本成果は、無毒な材料を用いて室温近傍の未利用熱をエネルギー源とした熱電発電源の実現への道を拓くものである。

■概要

大阪大学大学院基礎工学研究科の中村 芳明教授、高知工科大学 環境理工学群の藤田 武志教授、東邦大学 理学部の大江 純一郎教授、九州シンクロトロン光研究センターの小林 英一主任研究員らの研究グループは、革新的な熱電性能向上の方法論を提案し、環境調和型SiGe材料で最高の熱電変換出力因子(=(ゼーベック係数)2×(電気伝導率))を室温近傍で達成しました(既存SiGeの約3倍増大)。

室温近傍の膨大な廃熱を電気に直接変換することが可能な熱電材料は、新規グリーンエネルギー源として期待されています。しかし、トレードオフ関係にあるゼーベック係数と電気伝導率を同時に増大することは長年の課題でありました。

本研究グループは、急冷法(※3)を用いてSiGeとAuのコンポジット材料(※4)を作製し、SiGe中のAu不純物が形成する共鳴準位(※5)によりゼーベック係数を増大させるだけでなく、Au結晶の優れた電気伝導性を活かして、電気伝導率も同時に増大することに成功しました。結果として、宇宙船に搭載されている電源(RTG、Radioisotope Thermoelectric Generator)に利用されているSiGe熱電材料の値を3倍上回る最高熱電出力因子を室温近傍で達成することに成功しました(図1)。

*図1は添付の関連資料を参照

従来、環境調和性が高いものの、SiGe材料は宇宙船の電源として高温領域でしか利用されていませんでした。本成果により、高性能SiGe材料を用いることで、生活に密接した室温近傍の廃熱が電気エネルギーとして再利用可能となる"新エネルギー社会"実現が期待できます。

*以下は添付リリースを参照

リリース本文中の「関連資料」は、こちらのURLからご覧ください。

図1

https://release.nikkei.co.jp/attach/603973/01_202101271706.JPG

添付リリース

https://release.nikkei.co.jp/attach/603973/02_202101271706.pdf

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