米乐m6官方网站【会长：中钵良二】（以下简称“AIST”）能源效率研究部【研究主任：宗像哲夫】热电转换组首席研究员太田道宏、研究组组长山本淳、胡小凯前AIST特别研究员、日本学术振兴会外国访问研究员JOOD 普里扬卡是碲化铅(PbTe)热电转换材料烧结体中的碲化镁 (MgTe)纳米结构热电品质因数ZT= 18 并且使用该材料的转换效率也为 11%热电转换模块
迄今为止，在热电转换材料领域ZT= 10，转换效率达到7%。在这个结果中，美国西北大学卡纳齐迪斯 Mercouri G教授（兼）美国阿贡国家实验室与首席研究员合作，利用纳米结构形成技术制造热电转换材料烧结体ZT至18（550℃）。此外，我们开发了一种与形成这种MgTe纳米结构的PbTe烧结体具有相对良好的电和热结合性的电极材料，并在热电转换模块中实现了11%的转换效率（高温侧600℃，低温侧10℃）。通过使用这种高效热电转换模块，未使用的热能转化为电能并加以利用。
该技术的详细介绍请参考英国皇家化学会出版的学术期刊能源与环境科学
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| 图1 热电品质因数ZT的改进概念图(a)、所开发的热电转换材料的透射电子显微照片(b)、热电转换模块的概要(c)(d) |
| (a)(b) PbTe 烧结体中形成的纳米结构传输热量声子PbTe 有效散射时的热电品质因数10196_10245|同时不影响携带电荷的载体的运输ZT使用具有纳米结构的PbTe烧结体的(c)单级型和(d)两级(分段型)热电转换模块。 |
日本大部分一次能源（石油、煤炭等）依赖进口，但其中60%以上没有得到利用，而是作为热量浪费了。为了实现稳定的能源供应，实现可持续发展的社会，有必要推广利用这种未利用的热能。其关键技术是热电发电，通过使用热电转换模块，可以将原本浪费的未使用的热能回收为具有高利用价值的电能。
到目前为止ZT= 过去很难实现超过10的热电转换材料，但近年来，通过使用纳米技术ZT=10以上的热电转换材料的薄膜和熔融生长体。然而，这一材料领域的进展尚未应用到热电转换模块上，导致市面上常见的单级热电转换模块的转换效率不足5%，甚至实验室水平正在开发的两级（分段式）热电转换模块的转换效率也在7%左右。为了将材料领域的进步应用于热电转换模块，需要开发有利于加工的烧结体。ZT方面的改进至关重要
产业技术研究院致力于从材料到模块及其评价技术等热电转换技术相关的广泛领域的研究开发，旨在通过热电发电来利用未利用的热能。全球范围内进行热电转换技术研究的机构屈指可数。
迄今为止，在热电转换材料领域ZT= 10，但在2000年代，热电转换材料中形成纳米结构，以有效地散射声子并降低热导率，结果ZT在AIST，我们专注于PbTe，一种可在300°C至700°C温度范围内使用的热电转换材料，并于2012年与西北大学和阿贡国家实验室合作，将MgTe纳米结构嵌入p型PbTe的熔融生长中。ZT的改进ZT= 16) 已得到确认。在这项研究中，由于纳米结构的形成，ZT的热电转换材料的烧结体，然后利用AIST积累的热电转换技术开发了与该纳米结构热电转换材料具有相对良好的电和热结合的电极材料，旨在提高热电转换模块的效率。
这项研究开发是在经济产业省委托项目“日美合作”的支持下进行的。能源和环境技术研究和标准化合作项目（2010-2014财年）”和“日美能源技术开发合作项目（2014 财年）''。
热电转换材料通过将热流转化为电流来传输能量，因此导电率高，而导热率低ZT改善。在这项研究中，我们重点关注p型PbTe烧结体（接受者使用钠 (Na) 作为 12236_12424|)（图 2(a)）。该烧结体的透射电子显微照片（图1（b））显示形成了约5nm的球形纳米结构和板状纳米结构。嵌入式 MgTe 纳米结构可有效散射声子并降低热导率（图 1(a)）。另一方面，由于 PbTe 和 MgTe 具有光滑的界面，频带偏移变小并且不影响携带电荷的载体的移动。由于实现了仅降低热导率而不影响电性能，如图2(b)所示，形成了具有这种MgTe纳米结构的PbTe烧结体ZT显着提高，在 550 °C 时达到 18（大约是现有 PbTe 的两倍）。
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图2 具有开发的MgTe纳米结构的PbTe（p型）和用于n型的PbTe热电转换材料（a）和ZT的温度依赖性（b）的概述
Na作为p型的受体，n型作为受体捐助者作为 PbI2 |
此外，基于产业技术研究院积累的热电转换技术，我们开发了具有p型MgTe纳米结构的PbTe烧结体和n型PbTe烧结体（碘化铅（PbI）作为施主）。2)，外观如图2(a)所示，ZT如图2(b))所示，用于热电转换模块的开发研究(图1(c))。在此开发过程中，我们发现其上形成有MgTe纳米结构的PbTe烧结体与由铁（Fe）和钴（Co）制成的电极材料可以相对良好地电接合和热接合。通过成功开发高效热电转换材料和提供相对良好结合的电极材料，单级热电转换模块在高温侧600℃、低温侧30℃时最大输出功率为355W，最大转换效率为88%，如表1所示。这里，一个热电转换元件的尺寸为20mm长×20mm宽×28mm高，所开发的热电转换模块由8对PN元件组成。
形成MgTe纳米结构的PbTe烧结体具有300℃至700℃的高温范围ZT但低于300℃ZT变得更低（图2（b））。因此，温度较高，在100℃左右ZT（约10）2特3)作为低温侧元件开发了两级（分段式）热电转换模块（图1（d））。通过提高低温侧效率，在高温侧600℃、低温侧10℃时，最大输出功率达到234W，最大转换效率达到11%（表1）。该热电转换模块由8对PN元件组成，PbTe热电转换元件尺寸与单级式相同，Bi2特3热电转换元件的尺寸为20mm长x 20mm宽x 20mm高。
商用软件COMSOL Multiphysics®的有限元方法，模拟了基于形成有MgTe纳米结构的PbTe烧结体的热电特性的热电转换模块的性能（图3）。结果，如表1所示，如果能够开发出理想的热电转换模块，则单级热电转换模块的最大转换效率将为122％，两级热电转换模块的最大转换效率将为156％。对模拟结果的分析表明，测量值与模拟值之间的差异是由于PbTe烧结体与电极材料之间的界面处仍然存在较大的电阻，以及无助于发电的辐射等热损失。未来，如果我们能够改善界面处的电阻和元件的排列，我们也许能够实现显着大于11%的效率。
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图3 使用有限元法进行模拟
两级热电转换模块ZT的分布 |
我们将致力于改善纳米结构热电转换材料与电极材料之间的电和热结合，实现输出功率和转换效率的进一步提高。此外，该公司还将开展研究开发，以提高所开发的热电转换模块的长期耐用性和机械性能，并进行工业示范实验，目标是在五年内实现商业化。同时，努力用铜（Cu）等毒性较小的元素替代有毒元素铅（Pb），用地壳中丰富的硫（S）替代稀有元素碲（Te）。我们将基于这些成果推进研究和开发，为未利用热能的创新电力利用铺平道路，为可持续发展的社会做出贡献。