熱電変換の高性能化法と最高性能の新規材料を開発―希少元素を主成分に使わない熱電材料の実用化に展望：物質・材料研究機構ほか
(2021年4月17日発表)
（国）物質・材料研究機構は4月17日、熱を直接電気に変換する熱電材料の性能を高める方法を見出し、半世紀以上にわたって最高性能を誇っているビスマス・テルル系材料に匹敵する新規高性能材料（熱電モジュール）を、（国）産業技術総合研究所と共同で開発したと発表した。
希少元素のテルルを主成分に使わずに済むことから、各種機器の電源として応用開拓が期待されるという。
身の回りの排熱を有効活用する技術として熱電材料が注目され、各国が熱電変換効率の高い高性能材料の研究に力を入れている。これまでのところ室温から320℃以下の温度域でビスマス・テルル（Bi2Te3）系材料に勝るものは見つかってないが、ビスマス・テルル系材料は主成分が希少元素であることが普及の妨げになっている。
研究グループは今回、マグネシウム・アンチモン（Mg3Sb2）系材料に銅原子をわずかに添加すると、熱電材料の高性能化に必要な熱伝導率低減と電気伝導率の向上を両立させられることを見出した。
材料の原子間隙に挿入された銅原子は、熱伝導をつかさどるフォノンの速度を低減し、熱伝導率を著しく低減させる。これにより利用熱の散逸が抑えられ、熱電変換効率が向上する。
多結晶から成る材料の結晶粒界に入り込んだ銅原子は、電子の散乱を抑え、単結晶材料に匹敵する高い電気伝導率を実現する。これによりエネルギー損出を抑えられる。
これまで熱電材料には電気伝導率をあげると熱伝導率も高くなるという性質があったが、今回このトレードオフ問題を解決、高い熱電効率を実現した。
熱電モジュールを作製して行った変換効率の実測実験では、室温と320℃の温度差域で最高7.3％の効率を得た。これはビスマス・テルル系の最高効率に匹敵する。
今回の研究成果は、希少元素をほとんど用いない熱電モジュールの実用化および普及に道を開くものであり、身の回りの各種機器における排熱の有効活用とそれによる大きな省エネ効果が今後期待されるとしている。
