室温近傍でも高い性能を持つSiGe熱電材料を開発：熱電変換出力が約3倍に増大

大阪大学と高知工科大学、東邦大学および、九州シンクロトロン光研究センターの研究グループは、シリコンゲルマニウム（SiGe）熱電材料で、室温近傍において従来の約3倍となる熱電変換出力因子を得ることに成功した。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

新たなグリーンエネルギー源として期待

　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による研究グループは2021年1月、シリコンゲルマニウム（SiGe）熱電材料で、室温近傍において従来の約3倍となる熱電変換出力因子（ゼーベック係数²×電気伝導率）を得ることに成功したと発表した。

　熱を電気に直接変換できる熱電材料は、身の回りに存在する廃熱を再利用できるため、グリーンエネルギー源として注目されている。本格普及に向けては、高い効率で熱電変換を実現するために、ゼーベック係数（単位温度差当たりに発生する起電力）と電気伝導率を同時に高める必要がある。ところが、これらの物性値は互いに相関があり、両立させることがこれまで難しかったという。

　今回の研究では、ゼーベック係数と電気伝導率を同時に高める方法を新たに提案し、これを実証した。その方法とは、中村教授らの研究グループが確立した、温度分布を制御することで母体熱電材料のゼーベック係数を保ちながら電気伝導率を増大する「サーマルマネジメント法」と、不純物を添加して共鳴準位を形成し、ゼーベック係数を増大させる手法の融合である。

　実証に向けて研究グループは、急冷法を用いてSiGeと金（Au）のコンポジット材料を作製した。このコンポジット材料は、Auが添加されたSiGe領域（領域A）とAu結晶領域（領域B）という2領域で構成されている。この試料は、温度差を与えると熱伝導率が低い「領域A」に温度差が生じ、全体として高いゼーベック係数が得られる。従来のSiGeと比べ、高いゼーベック係数と高い電気伝導率が、同時に実現できることを確認した。試料の熱電変換出力因子は、宇宙船に搭載されているRTG（Radioisotope thermoelectric generator）用のSiGe材料と比べ、室温近傍で約3倍も高い値を示すことが分かった。

SiGeとAuのコンポジット材料の走査型電子顕微鏡像と、熱電変換出力因子の電気伝導率依存性 出典：大阪大学他

　SiGe材料はこれまで、宇宙船の電源など高温環境における熱電変換に利用されてきた。今回の成果により、SiGe材料を用いて室温近傍における廃熱も有効利用できることが分かった。