[发明专利]使用热发电元件的发电方法、热发电元件及其制造方法、热发电器件

说明书

技术领域

本发明涉及作为从热能直接获得电能的方法的、使用热发电元件的发电方法。此外，本发明涉及将热能直接转换成电能的热发电元件及其制造方法，以及热发电器件。

背景技术

热发电是利用与施加在物质的两端上的温度差成比例地产生电动势的塞贝克效应，将热能直接转换成电能的技术。该技术在偏僻地方用电源、宇宙用电源、军事用电源等中被实用化。

在现有的热发电元件中，一般采用将载流子的符号不同的“p型半导体”和“n型半导体”热并联并且电串联地进行组合的，被称为所谓的“π型结构”的结构。

用于热发电元件的热电材料的性能，一般使用性能指数Z或在Z上乘以绝对温度而得到的无量纲(non-dimensionalized)的性能指数ZT进行评价。能够使用热电材料的塞贝克系数S、电阻率ρ和热传导率κ，以式ZT＝S²/ρκ表述ZT。此外，也将仅考虑塞贝克系数S和电阻率ρ的指数S²/ρ称为功率因数(输出因数：power factor)，使之成为在温度差一定的情况下评价热电材料的发电性能的基准。

现在，作为热电材料而被实用化的Bi₂Te₃，ZT为1左右，功率因数为40～50μW/(cm·K²)左右，具有较高的热发电性能，但是在制作成具有上述π型结构的元件的情况下难以确保高的热发电性能，无法满足在更多的用途中的实用。

另一方面，作为具有与π型结构不同的结构的元件，很早即提出了利用在自然存在的或者人工制作的叠层结构中的热电特性的各向异性的元件(Thermoelectrics Handbook，Chapter 45“AnisotropicThermoelements”，CRC Press(2006)：文献1)。但是，根据文献1，在这样的元件中难以改善ZT，所以不是在热发电的用途中，而是主要在设想的红外线传感器等测量领域的用途中进行开发。

此外，在日本特开平6-310766号公报(文献2)中公开了作为具有与其类似的结构的热电材料，在基板上条纹状地交替排列以Fe-Si类材料为代表的具有热电特性的材料和以SiO₂为代表的厚度100nm以下的绝缘材料而形成的材料。根据文献2，具有这种微细结构的材料，与单独使用具有热电特性的Fe-Si类材料的情况相比，能够提高塞贝克系数S，另一方面，由于包括绝缘材料，电阻率ρ增大。因此，成为元件时的内部电阻增大，得到的电力反而降低。

作为具有叠层结构的其它热电材料，例如，在国际公开第00/076006号小册子(文献3)中，公开了具有由半金属、金属或合成树脂构成的层状体的材料。该材料与现有的π型结构同样，以在构成层状体的各层的叠层方向上施加温度差、并通过在与该方向相同的方向上相对配置的一对电极取出电力的结构作为前提，文献3中公开的元件本质上与文献1中公开的元件不同。

发明内容

如上所述，现有的热电材料不能够实现在更多的用途中满足实用的充分的热发电性能。本发明者们对使用叠层体的热发电元件反复锐意研究，发现了以下意想不到的结果：通过使用由Bi₂Te₃(碲化铋)层和含有特定金属的金属层构成的、上述Bi₂Te₃层与上述金属层的厚度之比在特定范围内的叠层体，并使叠层体的叠层面相对于夹持该叠层体的电极彼此相对的方向以规定的倾斜角θ倾斜，与单独使用Bi₂Te₃作为热电材料的情况相比，能够增大元件的功率因数，能够很大地提高热发电特性，根据该结果完成了本发明。

即，本发明的使用热发电元件的发电方法，是在热发电元件中产生温度差，从上述元件得到电力的方法，上述元件包括：相互相对配置的第一电极和第二电极；和被上述第一和第二电极夹持，并且与上述第一和第二电极两者电连接的叠层体，上述叠层体具有交替地叠层有Bi₂Te₃层和含有Al、Cu、Ag或Au的金属层的结构，上述金属层和上述Bi₂Te₃层的厚度之比在金属层∶Bi₂Te₃层＝400∶1～20∶1的范围内，上述Bi₂Te₃层和上述金属层的叠层面相对于上述第一电极和上述第二电极相对的方向，以15°以上60°以下的倾斜角θ倾斜，在上述元件的与上述方向垂直的方向上产生温度差，由此，通过上述第一和第二电极获得电力。