高温・空気中で安定した性能を示す実用的な熱電変換材料を発見 －再現性良く実用レベルの高性能を示す酸化物熱電材料－(産総研)

ポイント

• Ba_1/3CoO₂が空気中・600℃において性能指数ZT = 0.55を示すことを発見。
• 実用化された非酸化物熱電変換材料の性能に匹敵する高いZT。
• 高温・空気中で再現性良く安定した高性能を発揮。

概要

北海道大学 電子科学研究所の太田裕道教授らと産業技術総合研究所 極限機能材料研究部門の鶴田彰宏主任研究員らの研究グループは、空気中・600℃で安定した性能を示す、実用的な熱電変換材料を発見しました。熱電変換は、工場や自動車から排出される廃熱を再資源化する技術として注目されています。実用化されたPbTeなどの金属カルコゲン化物熱電材料^*1は、熱的・化学的に不安定であり、かつ毒性もあるため、大規模な応用に至っていません。PbTeなどと比較して、酸化物は、基本的には高温においても酸化しないことから、高温で使用可能な熱電材料として期待され、日本では30年ほど前から精力的に研究されてきました。これまでにいくつかの熱電変換性能指数ZT^*2が高い酸化物熱電材料が提案されてきましたが、再現性が低いため、実用化されることはありませんでした。2020年、研究グループは、Ba_1/3CoO₂が室温において良好な性能指数ZT ~0.11を示すことを発見しました(https://www.hokudai.ac.jp/news/2020/11/post-747.html)。本研究では、Ba_1/3CoO₂の再現性ある高温熱電特性を明らかにするため、Ba_1/3CoO₂エピタキシャル薄膜^*3の高温・空気中における安定性を調べ、この安定な温度範囲内における熱電特性を計測しました。その結果、Ba_1/3CoO₂が、空気中・600℃においてZT ~0.55を示すことを発見しました。高温・空気中で再現性良く高性能を示す実用的な熱電変換材料がついに実現したと言えます。

なお、本研究成果は、2022年7月12日（火）にACS Applied Materials & Interfaces誌（オープンアクセス）に掲載されました。

今後への期待

Ba_1/3CoO₂を実用化するためには、大型のバルク結晶が必要不可欠です。現在、大型単結晶の育成に向けた研究を行っており、同時にセラミックスの作製も進めています。今後は、企業との共同研究を行うことにより、実用化に向けた研究にも取り組みたいと考えています。

用語の説明

^＊1　金属カルコゲン化物熱電材料

金属元素とカルコゲン元素（S、Se、Te）との化合物からなる熱電材料。Bi₂Te₃、Sb₂Te₃、PbTeなどが実用化された熱電材料として良く知られている。

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^＊2　熱電変換性能指数ZT

熱電材料の熱→電気変換効率を示す指標。性能指数ZT [= (熱電能)²×(導電率)×(絶対温度)÷(熱伝導率)]で表される。熱電能：熱電材料に温度差を与えたときに発生する熱起電力（電圧）の温度係数のこと。導電率：電気の流れやすさを示す指標のこと。熱伝導率：熱の伝わりやすさを示す指標のこと。

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^＊3　エピタキシャル薄膜

小さな結晶が、基板と呼ばれる板の上に、三次元的に結晶方位を揃えた状態で膜状に並んだもの。一枚の大きな結晶と同様の物理的性質を示すことが多い。

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