国立先进产业技术研究所 [主席：Ryoji Chubachi]（以下简称“AIST”）节能研究部[研究主任：Fumio Takemura] 热电转换小组 Michihiro Ota，研究员，Jude Priyanka，研究员 Jun Yamamoto，研究组组长：碲化铅（PbTe）热电转换材料的烧结体中添加锗(Ge)并形成纳米尺寸的结构（纳米结构）热电品质因数ZT达到非常高的值 19。进而，使用由该纳米结构体形成的热电转换材料，级联热电转换模块并将转换效率提高到12%，而使用无纳米结构的PbTe时，转换效率仅为75%左右。
这次我们与美国西北大学的Kanatidis Mercouri教授以及美国阿贡国家实验室的首席研究员一起，在PbTe热电转换材料中添加了Ge。熔化/凝固过程成功地形成了纳米结构。和高ZT被实现了。此外，它在热电转换材料和电极之间提供了良好的热和电结合防扩散层，我们证实了具有高转换效率的级联热电转换模块的运行，反映了优异的材料性能。一系列的进展表明，通过纳米结构的形成可以改善材料性能，并通过各种模块配置实现更高的效率，这将有助于通过热电转换实现废热发电的应用多样化。
该技术的详细信息将于 2018 年 5 月 21 日（当地时间）公布细胞出版社焦耳
 |
| 通过纳米结构的形成显着降低热导率，从而导致材料的热电性能指数ZT中实现了转换效率的显着提高和模块 |
大部分一次能源没有被使用，并作为未使用的热能被丢弃。有效利用这种未使用的热能，既节能又减少二氧化碳排放2它是减排的重要支柱，特别需要将其回收为电力（余热发电）。因此，能够直接将热能转化为电能的热电转换技术被寄予厚望。
在热电转换技术的发展中，热电品质因数(ZT)有所改善，但在需要电极形成技术的模块开发方面尚未取得显着成果。到目前为止，热电转换技术的应用仅限于太空探索等少数领域，因为模块尚未实现高转换效率。为了将热电转换技术广泛应用于各个领域，需要在模块化技术方面取得重大进展。
AIST 一直在进行与热电转换相关的广泛研究和开发，从材料到模块开发和评估技术。到目前为止，镁（Mg）被添加到PbTe烧结体中以形成纳米结构。ZT从 10（未形成纳米结构时的值）到 18（550 °C 时）。进而，使用由该纳米结构体形成的热电转换材料，分段式热电转换模块并实现了11%的转换效率（高温侧600℃，低温侧10℃）（2015 年 11 月 26 日 AIST 新闻稿）。基于这些结果，我们的目标是形成新的纳米结构并开发新的高效模块。
该材料的开发得到了国家研究开发机构新能源和产业技术综合开发机构 (NEDO) 委托项目“未利用热能创新利用技术的研究与开发”（2015 财年至 2018 财年）的支持，并作为未利用热能创新利用研究会项目的一部分于 2017 财年进行。该模块的开发得到了经济产业省委托项目“创新能源技术国际合作研究开发项目”（2015财年至2018财年）的支持。
为了有效地将热能转化为电能的热电转换材料，其电阻率必须较低，以便允许良好的电流流动。此外，由于利用温差发电，因此为了维持温差，热导率必须较低。先前的研究表明，形成允许电流良好流动但阻止热量流动的纳米结构可有效提高性能。ZT正在接近20。到目前为止，Mg等碱土金属经常被用来在PbTe热电转换材料中形成纳米结构，但碱土金属在空气中不稳定且难以处理。
这次使用p 类型PbTe 是接受者在这种p型PbTe（化学成分为Pb）中添加了07%的Ge，Ge在空气中比碱土金属更稳定0.953娜0.040Ge0.007Te)，如图1（a）和（b）所示，在世界上首次证明可以形成尺寸范围为5 nm至300 nm的纳米结构。图1(b)显示了成分分布，表明该纳米结构含有Ge和少量Na。换句话说，认为Ge的添加诱导了纳米结构的形成。该纳米结构与使用碱土金属形成的纳米结构一样，具有允许电流流动但不允许热量流动的特性。ZT在 530 °C 时达到非常高的值 19（图 1 (c)）。
 |
| 图1（a）新开发的PbTe热电转换材料中的纳米结构（图中红色箭头），（b）各种元素（Ge、铅（Pb）、Na、碲（Te））的成分分析结果（纳米结构为上图黑色部分），（c）新开发的PbTe热电转换材料（p型）和n型元素使用的PbTe热电转换材料ZT的温度依赖性 |
使用新开发的PbTe烧结体，其上形成有纳米结构作为p型元件，单级热电转换模块（图2（a））。到目前为止，我们已经开发了捐助者2) PbTe烧结体（化学成分为PbTe0.9964I0.0036),n 类型的元素1个元件的尺寸为20mm长×20mm宽×42mm高，热电转换模块由8个pn元件对组成。另外，n型PbTeZT的温度依赖性如图 1 (c) 所示，在 510 °C 时达到最大值 (13)。 p型元件和n型元件的扩散防止层分别使用以铁(Fe)、Fe和钴(Co)为主要成分的材料。通过将低温侧固定在10°C并将高温侧从300°C改变到600°C来测量输出功率和转换效率。这些随着温差的增加而增加，当高温侧为600℃时，最大输出功率达到22W，最大转换效率达到85%（表1）。有限元法，基于p型和n型PbTe烧结体的热电特性模拟了单级热电转换模块的性能，最大转换效率为11%。实际测量的转换效率之所以低于此，是因为各部件之间的界面处存在电阻和热损失。未来通过改进这些，有可能实现85%以上的转换效率。
新开发的单级热电转换模块中使用的p型和n型PbTe烧结体均在300℃至650℃的高温范围内ZT但低于300℃ZT变得更低（图1（c））。因此，温度较高，在100℃左右ZT（约10）2特3)基材料制造了由八个pn元件对组成的热电转换模块。元件尺寸为 20 毫米长 x 20 毫米宽 x 20 毫米高。这个毕2特3系统热电转换模块位于低温侧的PbTe热电转换模块（图2（b））。这里，为了提高转换效率，Bi2特3使用有限元法确定两个模块的尺寸，以使热电转换模块的高温侧为200°C。两级级联设计提高了低温效率，在600℃高温和10℃低温下达到最大输出功率18W和12%的最大转换效率（表1）。最大输出功率低于单级模块的原因是元件整体长度较长，电阻增大。未来，有必要设计模块，以便根据应用优化最大输出功率。
在先前开发的分段热电转换模块中（图2（c）），PbTe元素和Bi2特3由于系统元件直接连接，因此可以比级联型更小。另一方面，由于必须直接连接具有不同热和电特性的热电转换材料或元件，因此设计很困难。新开发的两级级联式热电转换模块零件较多，尺寸较大，但其优点是可以分别设计开发低温侧和高温侧热电转换模块。余热发电涉及多种余热源，如汽车余热、工厂余热等，因此需要根据目标设计发挥梯级式和分段式优点的系统。现在，通过即使在级联类型中也表现出高转换效率，设计热电转换系统的自由度将增加，使得将热电转换技术应用于各种废热源成为可能。
 |
| 图2（a）使用具有通过添加Ge形成的纳米结构的PbTe的单级热电转换模块，（b）Bi2特3与模块组合配置的级联热电转换模块，(c)分段热电转换模块 |
| 表1单级和两级级联型热电转换模块的最大输出功率和最大转换效率 |
 |
我们在使用纳米结构 PbTe 的各种热电转换模块配置中实现了超过 10% 的高转换效率，这对于实际应用非常有用。在追求更高效率的同时，我们将继续检验长期稳定性并进行示范实验。使用PbTe的模块适合使用在需要高转换效率的领域。此外，考虑到未来市场的扩大，我们还正在进行铜（Cu）等元素替代品的研究，以取代铅的使用受到限制。2013年2月15日AIST主要研究成果、AIST 2014 年 10 月 6 日新闻稿）。结合这些结果将为利用热电转换技术利用未使用的热能发电铺平道路，从而节省能源和二氧化碳2为减少排放做出贡献。