JP7548796B2 - Thermoelectric materials and modules - Google Patents
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Description
本開示は、熱電材料および熱電モジュールに関する。 This disclosure relates to thermoelectric materials and thermoelectric modules.
従来、熱エネルギーと電気エネルギーとを変換可能な熱電モジュールが知られている。熱電モジュールは、典型的には、p型およびn型の2種類の熱電材料を用いて構成されている。例えば特許文献1には、熱電材料として、テルル化ビスマス(Bi2Te3)薄膜が開示されている。しかし、Bi2Te3に含まれるTeは、毒性が高く、高価である。また、従来知られている熱電材料も、鉛(Pb)、セレン(Se)等の毒性が高く、高価な元素を含む場合があり、特に、500℃以下で高い熱電特性を有する熱電材料は、上記の元素を含むことが多い。 Conventionally, thermoelectric modules capable of converting thermal energy and electrical energy are known. Thermoelectric modules are typically constructed using two types of thermoelectric materials, p-type and n-type. For example, Patent Document 1 discloses a bismuth telluride (Bi 2 Te 3 ) thin film as a thermoelectric material. However, Te contained in Bi 2 Te 3 is highly toxic and expensive. Conventionally known thermoelectric materials may also contain highly toxic and expensive elements such as lead (Pb) and selenium (Se), and in particular, thermoelectric materials having high thermoelectric properties at 500° C. or less often contain the above elements.
非特許文献1には、CZTSを熱電材料として用いることが記載されている。CZTSの構成元素(Cu、Zn、Sn、S)は比較的毒性は低いものの、CZTSは熱電特性が低い。また、特許文献2には、CZTS薄膜の製造方法が開示されている。 Non-Patent Document 1 describes the use of CZTS as a thermoelectric material. Although the constituent elements of CZTS (Cu, Zn, Sn, S) are relatively low in toxicity, CZTS has poor thermoelectric properties. In addition, Patent Document 2 discloses a method for manufacturing a CZTS thin film.
上述したように、CZTSの構成元素(Cu、Zn、Sn、S)は比較的毒性は低いものの、従来のCZTS(典型的にはCu2ZnSnS4)は熱電特性が低い。本開示は、上記実情に鑑みてなされたものであり、良好な熱電特性を有するCZTS系の熱電材料を提供することを主目的とする。 As described above, although the constituent elements of CZTS (Cu, Zn, Sn, S) have relatively low toxicity, conventional CZTS (typically Cu 2 ZnSnS 4 ) has poor thermoelectric properties. The present disclosure has been made in view of the above-mentioned circumstances, and has as its main object to provide a CZTS-based thermoelectric material having good thermoelectric properties.
本開示においては、Cu、Zn、SnおよびSを含有するCZTS結晶相を備え、上記CZTS結晶相はCu空孔を有する、熱電材料を提供する。 The present disclosure provides a thermoelectric material having a CZTS crystal phase containing Cu, Zn, Sn, and S, the CZTS crystal phase having Cu vacancies.
本開示によれば、CZTS結晶相がCu空孔を有することから、良好な熱電特性を有する熱電材料を得ることができる。 According to the present disclosure, since the CZTS crystal phase has Cu vacancies, it is possible to obtain a thermoelectric material with good thermoelectric properties.
上記開示においては、上記熱電材料は、アルカリ金属がドープされていてもよい。 In the above disclosure, the thermoelectric material may be doped with an alkali metal.
上記開示においては、上記アルカリ金属が、Li、NaおよびKの少なくとも一種を有していてもよい。 In the above disclosure, the alkali metal may include at least one of Li, Na, and K.
上記開示においては、上記アルカリ金属が、少なくともNaを有していてもよい。 In the above disclosure, the alkali metal may include at least Na.
上記開示においては、上記熱電材料が、(Cu1-α)2ZnSnS4AXで表される組成(αは0.01≦α≦0.10を満たし、Aはアルカリ金属であり、Xは0≦X≦0.5を満たす)を有していてもよい。 In the above disclosure, the thermoelectric material may have a composition represented by (Cu 1-α ) 2 ZnSnS 4 A X , where α satisfies 0.01≦α≦0.10, A is an alkali metal, and X satisfies 0≦X≦0.5.
また、本開示においては、上述した熱電材料を有する素子を備える、熱電モジュールを提供する。 The present disclosure also provides a thermoelectric module having an element having the above-mentioned thermoelectric material.
本開示によれば、上述した熱電材料を有する素子を備えることから、良好な熱電特性を有する熱電モジュールを得ることができる。 According to the present disclosure, a thermoelectric module having good thermoelectric properties can be obtained by including elements having the above-mentioned thermoelectric materials.
上記開示においては、上記素子における上記CZTS結晶相のa軸方向を、電流が流れる方向と一致するように配向させてもよい。 In the above disclosure, the a-axis direction of the CZTS crystal phase in the element may be oriented to coincide with the direction in which current flows.
本開示における熱電材料は、良好な熱電特性を有するという効果を奏する。 The thermoelectric material disclosed herein has the advantage of having good thermoelectric properties.
以下、本開示における熱電材料および熱電モジュールについて、詳細に説明する。 The thermoelectric materials and thermoelectric modules disclosed herein are described in detail below.
A.熱電材料
本開示における熱電材料は、Cu、Zn、SnおよびSを含有するCZTS結晶相を備え、上記CZTS結晶相はCu空孔を有する。図1は、本開示におけるCZTS結晶相の結晶構造を示す模式図である。図1に示すように、本開示における熱電材料は、Cu、Zn、SnおよびSを含有するCZTS結晶相を備える。CZTS結晶相において、Cu-Sn、Cu-Zn、Cu-SnおよびCu-Znのカチオン層は、c軸に沿って順に配置されている。本開示におけるCZTS結晶相は、通常、ケステライト構造を有する。また、図1に示すように、CZTS結晶相はCu空孔Vを有する。Cu空孔とは、理想的なCZTS単結晶のCu原子があるべきサイトに、Cu原子が存在しないサイトをいう。
A. Thermoelectric Material The thermoelectric material in the present disclosure comprises a CZTS crystal phase containing Cu, Zn, Sn and S, and the CZTS crystal phase has Cu vacancies. FIG. 1 is a schematic diagram showing the crystal structure of the CZTS crystal phase in the present disclosure. As shown in FIG. 1, the thermoelectric material in the present disclosure comprises a CZTS crystal phase containing Cu, Zn, Sn and S. In the CZTS crystal phase, the cation layers of Cu-Sn, Cu-Zn, Cu-Sn and Cu-Zn are arranged in order along the c-axis. The CZTS crystal phase in the present disclosure usually has a kesterite structure. In addition, as shown in FIG. 1, the CZTS crystal phase has Cu vacancies V. A Cu vacancy refers to a site where a Cu atom does not exist at a site where a Cu atom should be present in an ideal CZTS single crystal.
本開示によれば、CZTS結晶相がCu空孔を有することから、良好な熱電特性を有する熱電材料を得ることができる。ここで、上述したように、CZTSの構成元素(Cu、Zn、Sn、S)は比較的毒性は低い。すなわち、本開示における熱電材料は、従来知られている熱電材料の構成元素(例えばTe、Pb、Se)に比べて、毒性が低く、安価に入手できるという利点がある。 According to the present disclosure, since the CZTS crystal phase has Cu vacancies, a thermoelectric material with good thermoelectric properties can be obtained. Here, as described above, the constituent elements of CZTS (Cu, Zn, Sn, S) have relatively low toxicity. In other words, the thermoelectric material of the present disclosure has the advantage of being less toxic and cheaper to obtain than the constituent elements of conventionally known thermoelectric materials (e.g., Te, Pb, Se).
一方、従来のCu2ZnSnS4は、熱電特性が低く、例えば700KでZT値は0.1程度である。これに対して、本開示における熱電材料は、後述する実施例1~3に示すように、例えば700KでZT値は0.5以上であり、熱電特性が、従来のCu2ZnSnS4に比べて大幅に向上している。熱電特性が向上したメカニズムは完全には明らかではないが、CZTS結晶相にCu空孔を付与することで、キャリア濃度増加によって電気伝導率が増加、または、電気伝導率向上によってパワーファクター(ゼーベック係数の2乗×伝導率)が増加したためであると推測される。 On the other hand, conventional Cu 2 ZnSnS 4 has low thermoelectric properties, for example, a ZT value of about 0.1 at 700 K. In contrast, the thermoelectric material of the present disclosure has a ZT value of 0.5 or more at 700 K, for example, as shown in Examples 1 to 3 described later, and the thermoelectric properties are significantly improved compared to conventional Cu 2 ZnSnS 4. Although the mechanism by which the thermoelectric properties are improved is not completely clear, it is speculated that the impartation of Cu vacancies to the CZTS crystal phase increases the carrier concentration, thereby increasing the electrical conductivity, or that the power factor (the square of the Seebeck coefficient × the conductivity) increases due to the improved electrical conductivity.
本開示における熱電材料は、Cu、Zn、SnおよびSを含有するCZTS結晶相を備える。熱電材料は、通常、CZTS結晶相を主相として備え、特にCZTS結晶相の単相材料であることが好ましい。熱電材料がCZTS結晶相を備えることは、XRD測定およびラマン分光測定において、正方晶のケステライト相のピークが観察されることにより、確認できる。 The thermoelectric material in this disclosure has a CZTS crystal phase containing Cu, Zn, Sn, and S. The thermoelectric material usually has the CZTS crystal phase as the main phase, and is preferably a single-phase material of the CZTS crystal phase. The presence of a CZTS crystal phase in a thermoelectric material can be confirmed by observing peaks of the tetragonal kesterite phase in XRD and Raman spectroscopy.
本開示におけるCZTS結晶相はCu空孔を有する。CZTS結晶相におけるCu空孔の割合は、例えば、1%以上であり、3%以上であってもよく、5%以上であってもよい。Cu空孔の割合が少なすぎると、熱電特性の向上効果が得られない可能性がある。CZTS結晶相におけるCu空孔の割合とは、理想的なCZTS単結晶における全Cuサイトに対するCu空孔の割合をいう。一方、CZTS結晶相におけるにおけるCu空孔の割合は、例えば10%以下であり、8%以下であってもよい。Cu空孔の割合が多すぎると、CZTS結晶相の結晶性が低下する可能性がある。Cu空孔の割合は、例えばSEM-EDX(走査型電子顕微鏡-エネルギー分散型X線分光法)により測定できる。 The CZTS crystal phase in the present disclosure has Cu vacancies. The proportion of Cu vacancies in the CZTS crystal phase is, for example, 1% or more, and may be 3% or more, or 5% or more. If the proportion of Cu vacancies is too small, the effect of improving the thermoelectric properties may not be obtained. The proportion of Cu vacancies in the CZTS crystal phase refers to the proportion of Cu vacancies to all Cu sites in an ideal CZTS single crystal. On the other hand, the proportion of Cu vacancies in the CZTS crystal phase is, for example, 10% or less, and may be 8% or less. If the proportion of Cu vacancies is too large, the crystallinity of the CZTS crystal phase may decrease. The proportion of Cu vacancies can be measured, for example, by SEM-EDX (scanning electron microscope-energy dispersive X-ray spectroscopy).
本開示における熱電材料は、アルカリ金属がドープされていることが好ましい。アルカリ金属はイオン半径が小さいため、熱電特性に悪影響を与えない歪みをCZTS結晶相に導入でき、熱電特性をさらに向上させることができる。例えば図2に示すように、CZTS結晶相は、Cu空孔Vと、ドープされたアルカリ金属Aとを有することが好ましい。アルカリ金属としては、例えば、Li、K、Naが挙げられる。熱電材料は、1種のアルカリ金属がドープされていてもよく、2種以上のアルカリ金属がドープされていてもよい。アルカリ金属は、少なくともNaを有することが好ましい。熱電特性を向上させることができるからである。また、ドープされたアルカリ金属の少なくとも一部は、Cu空孔に位置していてもよい。アルカリ金属のドープ濃度は、例えば0.01mol%以上であり、0.05mol%以上であってもよく、0.1mol%以上であってもよい。一方、アルカリ金属のドープ濃度は、例えば50mol%以下であり、30mol%以下であってもよく、10mol%以下であってもよい。アルカリ金属のドープ濃度は、例えば、ICP-AES(誘導結合高周波プラズマ発光分光分析)により測定できる。 The thermoelectric material in the present disclosure is preferably doped with an alkali metal. Since the ionic radius of the alkali metal is small, a distortion that does not adversely affect the thermoelectric properties can be introduced into the CZTS crystal phase, and the thermoelectric properties can be further improved. For example, as shown in FIG. 2, the CZTS crystal phase preferably has Cu vacancies V and doped alkali metal A. Examples of the alkali metal include Li, K, and Na. The thermoelectric material may be doped with one type of alkali metal, or may be doped with two or more types of alkali metals. The alkali metal preferably has at least Na. This is because the thermoelectric properties can be improved. In addition, at least a part of the doped alkali metal may be located in the Cu vacancy. The doping concentration of the alkali metal is, for example, 0.01 mol% or more, may be 0.05 mol% or more, or may be 0.1 mol% or more. On the other hand, the doping concentration of the alkali metal is, for example, 50 mol% or less, may be 30 mol% or less, or may be 10 mol% or less. The doping concentration of the alkali metal can be measured, for example, by ICP-AES (inductively coupled plasma atomic emission spectroscopy).
熱電材料の組成は、特に限定されないが、例えば、(Cu1-α)2ZnSnS4AXが挙げられる。αは、例えば0.01以上であり、0.03以上であってもよく、0.05以上であってもよい。αが小さすぎると、熱電特性が十分に向上しない可能性がある。一方、αは、例えば0.10以下であり、0.08以下であってもよい。αが大きすぎると、CZTS結晶相の結晶性が低下する可能性がある。Aはアルカリ金属である。アルカリ金属は、1種であってもよく、2種以上であってもよい。アルカリ金属については上述した通りである。Xは、0であってもよく、0より大きくてもよい。後者の場合、熱電特性に悪影響を与えない歪みをCZTS結晶相に導入でき、熱電特性をさらに向上させることができる。Xは、例えば0.0001以上であり、0.0005以上であってもよく、0.001以上であってもよい。一方、Xは、例えば0.5以下であり、0.3以下であってもよく、0.1以下であってもよい。また、Xは、X<2αを満たしてもよい。すなわち、アルカリ金属のドープ量は、Cu空孔量よりも少なくてもよい。 The composition of the thermoelectric material is not particularly limited, and may be, for example, (Cu 1-α ) 2 ZnSnS 4 A X. α is, for example, 0.01 or more, may be 0.03 or more, or may be 0.05 or more. If α is too small, the thermoelectric properties may not be sufficiently improved. On the other hand, α is, for example, 0.10 or less, may be 0.08 or less. If α is too large, the crystallinity of the CZTS crystal phase may be reduced. A is an alkali metal. The alkali metal may be one type or two or more types. The alkali metal is as described above. X may be 0 or may be greater than 0. In the latter case, a strain that does not adversely affect the thermoelectric properties can be introduced into the CZTS crystal phase, and the thermoelectric properties can be further improved. X is, for example, 0.0001 or more, may be 0.0005 or more, or may be 0.001 or more. On the other hand, X is, for example, 0.5 or less, may be 0.3 or less, or may be 0.1 or less. X may satisfy X<2α. That is, the doping amount of the alkali metal may be less than the amount of Cu vacancies.
本開示における熱電材料は、p型材料であってもよく、n型材料であってもよい。また、熱電材料の形状は特に限定されない。また、熱電材料は、単結晶材料であることが好ましい。良好な熱電特性が得られるからである。また、熱電材料のZT値は、700Kにおいて、例えば0.4以上であり、0.6以上であってもよく、0.8以上であってもよい。ZT値の算出方法については、後述する実施例において詳細に説明する。 The thermoelectric material in this disclosure may be a p-type material or an n-type material. The shape of the thermoelectric material is not particularly limited. The thermoelectric material is preferably a single crystal material, since good thermoelectric properties can be obtained. The ZT value of the thermoelectric material is, for example, 0.4 or more at 700 K, and may be 0.6 or more, or may be 0.8 or more. The method of calculating the ZT value will be described in detail in the examples described later.
本開示における熱電材料の製造方法は、特に限定されないが、例えば、Cu、Zn、SnおよびSを含有する原料に熱処理を行い、CZTS結晶相を有する多結晶材料を得る工程と、移動ヒーター法(Travelling Heater Method, THM)により、上記多結晶材料から、CZTS結晶相を有する単結晶材料を得る工程と、を有する製造方法が挙げられる。 The method for producing the thermoelectric material in the present disclosure is not particularly limited, but may include, for example, a production method having a step of subjecting a raw material containing Cu, Zn, Sn, and S to heat treatment to obtain a polycrystalline material having a CZTS crystal phase, and a step of obtaining a single crystal material having a CZTS crystal phase from the polycrystalline material by the Travelling Heater Method (THM).
B.熱電モジュール
本開示における熱電モジュールは、上述した熱電材料を有する素子を備える。図3は、本開示における熱電モジュールを例示する概略断面図である。図3に示す熱電モジュール10は、第1基板1および第1電極2を有する第1電極基板3と、第2基板4および第2電極5を有する第2電極基板6と、対向する第1電極2および第2電極5の間に配置された、p型素子7およびn型素子8と、を備える。
B. Thermoelectric Module The thermoelectric module in the present disclosure includes an element having the above-mentioned thermoelectric material. Fig. 3 is a schematic cross-sectional view illustrating a thermoelectric module in the present disclosure. The
第2電極基板6は、複数の第2電極5を有し、各々の第2電極5は、一対のp型素子7およびn型素子8と電気的に接続されている。さらに、隣り合う2つの第2電極5において、一方の第2電極5におけるp型素子7と、他方の第2電極5におけるn型素子8とが、同一の第1電極2において電気的に接続されている。図3に示す熱電モジュール10は、π型構造を有するpn素子対が直列接続された熱電モジュールに該当する。本開示においては、p型素子7およびn型素子8の少なくとも一方が、上記「A.熱電素子」に記載した熱電材料を有する。
The
本開示によれば、上述した熱電材料を有する素子を備えることから、良好な熱電特性を有する熱電モジュールを得ることができる。 According to the present disclosure, a thermoelectric module having good thermoelectric properties can be obtained by including elements having the above-mentioned thermoelectric materials.
上記素子は、例えば、薄膜状の熱電材料である。また、上記素子におけるCZTS結晶相のa軸方向を、電流が流れる方向と一致するように配向させることが好ましい。より良好な熱電特性が得られるからである。後述する実施例に示すように、a軸方向におけるZT値は、c軸方向におけるZT値よりも大きくなる傾向がある。電流が流れる方向とは、p型素子では高温側の電極基板から低温側の電極基板に向かう方向をいい、n型素子では低温側の電極基板から高温側の電極基板に向かう方向をいう。 The above element is, for example, a thin-film thermoelectric material. It is also preferable to orient the a-axis direction of the CZTS crystal phase in the above element so that it coincides with the direction of current flow. This is because better thermoelectric properties can be obtained. As shown in the examples described later, the ZT value in the a-axis direction tends to be greater than the ZT value in the c-axis direction. The direction of current flow refers to the direction from the high-temperature electrode substrate to the low-temperature electrode substrate in p-type elements, and refers to the direction from the low-temperature electrode substrate to the high-temperature electrode substrate in n-type elements.
熱電モジュールは、p型素子のみを有していてもよく、n型素子のみを有していてもよいが、p型素子およびn型素子の両方を有することが好ましい。より大きな電位差が得られるからである。また、pn素子対は、上述したπ型構造を有していてもよく、U型構造を有していてもよい。 The thermoelectric module may have only p-type elements or only n-type elements, but it is preferable to have both p-type and n-type elements, because a larger potential difference can be obtained. In addition, the pn element pair may have the above-mentioned π-type structure or a U-type structure.
熱電モジュールは、通常、基板と、上記基板上に配置された電極とを有する電極基板を有する。電極基板は、特に限定されず、公知のものを用いることができる。基板としては、例えば、窒化アルミニウム等のセラミックスが挙げられる。一方、電極としては、例えば銅が挙げられる。 Thermoelectric modules usually have an electrode substrate having a substrate and electrodes arranged on the substrate. There are no particular limitations on the electrode substrate, and any known substrate can be used. Examples of substrates include ceramics such as aluminum nitride. On the other hand, examples of electrodes include copper.
本開示における熱電モジュールは、熱電発電モジュールであることが好ましい。例えば、廃熱から電力エネルギーを直接回収できるからである。また、熱電モジュールは、例えば、車の排熱、工場の排熱、地熱、体温等の熱エネルギーを電気エネルギーに変換するために用いられるモジュールであることが好ましい。 The thermoelectric module in the present disclosure is preferably a thermoelectric power generation module, for example because it can directly recover electrical energy from waste heat. In addition, the thermoelectric module is preferably a module used to convert thermal energy, such as exhaust heat from vehicles, factory exhaust heat, geothermal energy, body heat, etc., into electrical energy.
なお、本開示は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本開示における特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本開示における技術的範囲に包含される。 This disclosure is not limited to the above-mentioned embodiments. The above-mentioned embodiments are merely examples, and anything that has substantially the same configuration as the technical ideas described in the claims of this disclosure and has similar effects is included within the technical scope of this disclosure.
[比較例1]
Cu2ZnSnS4の単結晶を合成した。まず、合成用の石英管を洗浄し、カーボンコートを施した。次に、S以外の原料として、Cu、ZnおよびSn(いずれも高純度材料)を準備し、塩酸(HCl)で洗浄した。次に、図4(a)に示すように、石英管にCu、Zn、SnおよびSを添加し、真空封入した。この際、各原料の添加量は、Cu:Zn:Sn:S=2:1:1:4のモル比とした。
[Comparative Example 1]
A single crystal of Cu2ZnSnS4 was synthesized. First, the quartz tube for synthesis was cleaned and carbon-coated. Next, Cu, Zn, and Sn (all high-purity materials) were prepared as raw materials other than S, and washed with hydrochloric acid (HCl). Next, as shown in FIG. 4(a), Cu, Zn, Sn, and S were added to the quartz tube and vacuum-sealed. At this time, the amount of each raw material added was Cu:Zn:Sn:S = 2:1:1:4 molar ratio.
その後、図4(b)に示すように、真空封入した石英管を電気炉に入れ、熱処理を行った。熱処理条件は、図5に示すように、室温から650℃まで4時間かけて昇温し、650℃で20時間保持し、650℃から1100℃まで6時間かけて昇温し、1100℃で20時間保持し、1100℃から室温まで10時間かけて冷却した。これにより、図4(c)に示すように、Cu2ZnSnS4の多結晶を得た。 After that, as shown in Fig. 4(b), the vacuum-sealed quartz tube was placed in an electric furnace and heat-treated. As shown in Fig. 5, the heat treatment conditions were as follows: heating from room temperature to 650°C over 4 hours, holding at 650°C for 20 hours, heating from 650°C to 1100°C over 6 hours, holding at 1100°C for 20 hours, and cooling from 1100°C to room temperature over 10 hours. As a result, polycrystals of Cu2ZnSnS4 were obtained as shown in Fig. 4(c).
その後、図6(a)に示すように、石英管の底部に、溶媒金属であるSnを配置し、その上にCu2ZnSnS4の多結晶を配置し、真空封入した。真空封入した石英管を電気炉に入れ、ヒーターにより石英管の先端部分を850℃まで加熱した。一方、電気炉内の冷却部の温度勾配を30~40℃/cmに設定し、図6(b)に示すように、4~5mm/dayの速度で石英管を移動させた。所定の日数が経過したあとに、電気炉内の温度を室温まで冷却し、熱電材料(Cu2ZnSnS4の単結晶)を得た。 Then, as shown in Fig. 6(a), Sn, which is a solvent metal, was placed at the bottom of the quartz tube, and polycrystals of Cu 2 ZnSnS 4 were placed on top of it and vacuum-sealed. The vacuum-sealed quartz tube was placed in an electric furnace, and the tip of the quartz tube was heated to 850°C by a heater. Meanwhile, the temperature gradient of the cooling part in the electric furnace was set to 30-40°C/cm, and the quartz tube was moved at a speed of 4-5 mm/day, as shown in Fig. 6(b). After a certain number of days had passed, the temperature in the electric furnace was cooled to room temperature, and a thermoelectric material (single crystal of Cu 2 ZnSnS 4 ) was obtained.
[実施例1]
Cu1.9ZnSnS4の単結晶(Cu空孔を有する単結晶)を合成した。具体的には、各原料の添加量を、Cu:Zn:Sn:S=1.9:1:1:4のモル比に変更したこと以外は、比較例1と同様にして、熱電材料(Cu1.9ZnSnS4の単結晶)を得た。
[Example 1]
A single crystal of Cu1.9ZnSnS4 (a single crystal having Cu vacancies) was synthesized. Specifically, a thermoelectric material (a single crystal of Cu1.9ZnSnS4) was obtained in the same manner as in Comparative Example 1, except that the amount of each raw material added was changed to a molar ratio of Cu:Zn:Sn:S = 1.9:1:1: 4 .
[実施例2]
NaをドープしたCu1.9ZnSnS4の単結晶(Cu空孔を有する単結晶)を合成した。具体的には、各原料の添加量を、Cu:Zn:Sn:S=1.9:1:1:4のモル比に変更し、さらにドーパントとしてNa2Sを用い、Naドープ濃度が0.1mol%となるように添加したこと以外は、比較例1と同様にして、熱電材料(NaをドープしたCu1.9ZnSnS4の単結晶)を得た。
[Example 2]
A single crystal of Na-doped Cu1.9ZnSnS4 (single crystal having Cu vacancies) was synthesized. Specifically, the amount of each raw material added was changed to a molar ratio of Cu:Zn:Sn:S = 1.9:1:1:4, and Na2S was used as a dopant and added so that the Na doping concentration was 0.1 mol%, but otherwise the same procedure as in Comparative Example 1 was followed to obtain a thermoelectric material (single crystal of Na -doped Cu1.9ZnSnS4 ).
[実施例3]
Naドープ濃度を0.04mol%に変更したこと以外は、実施例2と同様にして、熱電材料(NaをドープしたCu1.9ZnSnS4の単結晶)を得た。
[Example 3]
A thermoelectric material (a single crystal of Na-doped Cu1.9ZnSnS4 ) was obtained in the same manner as in Example 2, except that the Na-doping concentration was changed to 0.04 mol %.
[評価]
実施例1~3および比較例1で得られた熱電材料のZT値を求めた。
ZT=σS2T/κ
式中、σは電気伝導率であり、Sはゼーベック係数であり、Tは絶対温度であり、κは熱伝導率である。
[evaluation]
The ZT values of the thermoelectric materials obtained in Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 were determined.
ZT = σS 2 T/κ
where σ is the electrical conductivity, S is the Seebeck coefficient, T is the absolute temperature, and κ is the thermal conductivity.
電気伝導率およびゼーベック係数の測定は、熱電材料を2~5mm×2~5mm×10~15mmの寸法に切断してサンプルを作製し、熱電特性評価装置(アドバンス理工製ZEM-3)を用い、測定温度300~800K、He雰囲気の条件で行った。なお、サンプルは、a軸に沿った方向およびc軸に沿った方向で、それぞれ切断した。 The electrical conductivity and Seebeck coefficient were measured by cutting the thermoelectric material to a size of 2-5 mm x 2-5 mm x 10-15 mm to prepare samples, and measuring them using a thermoelectric property evaluation device (Advance Riko's ZEM-3) at a temperature of 300-800 K in a He atmosphere. The samples were cut along the a-axis and along the c-axis.
一方、熱伝導率κは、以下の式より求めた。
κ=λCPD
式中、λは熱拡散率であり、Cpは熱容量であり、Dは密度である。
On the other hand, the thermal conductivity κ was calculated from the following formula.
κ= λC
where λ is the thermal diffusivity, Cp is the heat capacity, and D is the density.
熱拡散率の測定は、熱電材料を8mm×8mm×1mmの寸法に切断してサンプルを作製し、レーザーフラッシュアナライザ(Netzsch製LFA457)を用い、測定温度300~800K、Ar雰囲気の条件で行った。一方、熱容量の測定は、熱電材料を3mm×3mm×3mmの寸法に切断してサンプルを作製し、示差走査熱量計(リガク製Thermo plus EVO2 DSCvesta)を用い、測定温度300~800K、真空雰囲気の条件で行った。また、密度の測定は、アルキメデス法を用いて室温で行った。 Thermal diffusivity was measured by cutting the thermoelectric material to a size of 8 mm x 8 mm x 1 mm to prepare samples, using a laser flash analyzer (Netzsch LFA457) at a measurement temperature of 300-800 K in an Ar atmosphere. On the other hand, heat capacity was measured by cutting the thermoelectric material to a size of 3 mm x 3 mm x 3 mm to prepare samples, using a differential scanning calorimeter (Rigaku Thermo plus EVO2 DSCvesta) at a measurement temperature of 300-800 K in a vacuum atmosphere. Density was measured at room temperature using the Archimedes method.
得られたZT値の結果を図7に示す。図7に示すように、比較例1で得られた熱電材料(Cu2ZnSnS4)は、ZT値が低く、例えば700Kで0.1程度であった。これに対して、実施例1で得られた熱電材料(Cu1.9ZnSnS4)は、比較例1に比べてZT値が高くなった。このように、Cu空孔を設けることで、熱電特性が向上することが確認された。また、実施例2、3で得られた熱電材料(NaでドープしたCu1.9ZnSnS4)は、実施例1に比べてZT値が顕著に高くなった。このように、Na等のアルカリ金属でドープすることで、熱電特性が顕著に向上することが確認された。熱電特性が向上した理由は、Na等のアルカリ金属はイオン半径が小さいため、熱電特性に悪影響を与えない歪みをCZTS結晶相に導入できたためであると推測される。また、図7に示すように、実施例1~3のいずれの場合も、a軸方向の結果が、c軸方向の結果に比べて、熱電特性が良好であった。そのため、熱電モジュールにおいて、CZTS結晶相のa軸方向を、電流が流れる方向と一致するように配向させることで、より良好な熱電特性が得られることが確認された。 The results of the obtained ZT value are shown in FIG. 7. As shown in FIG. 7, the thermoelectric material (Cu 2 ZnSnS 4 ) obtained in Comparative Example 1 had a low ZT value, for example, about 0.1 at 700K. In contrast, the thermoelectric material (Cu 1.9 ZnSnS 4 ) obtained in Example 1 had a higher ZT value than Comparative Example 1. In this way, it was confirmed that the thermoelectric properties were improved by providing Cu vacancies. In addition, the ZT value of the thermoelectric materials (Cu 1.9 ZnSnS 4 doped with Na) obtained in Examples 2 and 3 was significantly higher than that of Example 1. In this way, it was confirmed that the thermoelectric properties were significantly improved by doping with an alkali metal such as Na. It is speculated that the reason for the improvement in the thermoelectric properties is that the ionic radius of alkali metals such as Na is small, and therefore a distortion that does not adversely affect the thermoelectric properties can be introduced into the CZTS crystal phase. 7, the results in the a-axis direction showed better thermoelectric properties than the results in the c-axis direction in all of Examples 1 to 3. Therefore, it was confirmed that better thermoelectric properties can be obtained by orienting the a-axis direction of the CZTS crystal phase in the thermoelectric module so that it coincides with the direction of current flow.
1 … 第1基板
2 … 第1電極
3 … 第1電極基板
4 … 第2基板
5 … 第2電極
6 … 第2電極基板
7 … p型素子
8 … n型素子
10 … 熱電モジュール
REFERENCE SIGNS LIST 1 first substrate 2
Claims (5)
前記熱電材料は、Cu、Zn、SnおよびSを含有するCZTS結晶相を備え、
前記CZTS結晶相はCu空孔を有し、
前記素子における前記CZTS結晶相のa軸方向を、電流が流れる方向と一致するように配向させた、熱電モジュール。 1. A thermoelectric module comprising an element having a thermoelectric material,
The thermoelectric material has a CZTS crystalline phase containing Cu, Zn, Sn and S;
The CZTS crystal phase has Cu vacancies,
A thermoelectric module, wherein the a-axis direction of the CZTS crystal phase in the element is oriented to coincide with the direction in which a current flows.
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