(57)【要約】【課題】熱発電変換の効率をより向上させることができる発電装置、及び発電方法を提供する。【解決手段】発電装置は、所定の導電タイプの半導体として形成された熱発電体と、自発電装置の外部に存在するガスの成分に前記熱発電体の表面の状態が影響されないように、前記熱発電体の周りに設けられた少なくとも１つの層と、を備える。【選択図】図１
2018152546.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の導電タイプの半導体として形成され、与えられた温度差に応じて発電する熱発電体と、
自発電装置の外部に存在するガスの成分に前記熱発電体の表面の状態が影響されないように、前記熱発電体の周りに設けられた少なくとも１つの層と、
を備える発電装置。
【請求項２】
前記少なくとも１つの層は、
前記熱発電体を収容する容器の少なくとも一部であって、前記熱発電体の表面に接する雰囲気ガスの濃度を所定の範囲内に保つように又は前記熱発電体が吸着する吸着ガスを除いた状態を保持するように形成されている、
請求項１に記載の発電装置。
【請求項３】
前記容器は、さらに脱酸素剤を収容する、
請求項２に記載の発電装置。
【請求項４】
前記少なくとも１つの層は、第１層として形成され、前記第１層と前記熱発電体との間に第２層が形成され、
前記第２層におけるガスの密度又は圧力の何れかが、所定値以下に保持されている、
請求項１に記載の発電装置。
【請求項５】
前記少なくとも１つの層は、前記熱発電体の表面を覆うコーティングであり、
前記コーティングの材料の導電タイプは、前記熱発電体と同じ導電タイプである、
請求項１に記載の発電装置。
【請求項６】
前記コーティングの材料のキャリア濃度が前記熱発電体の材料のキャリア濃度以上である、
請求項５に記載の発電装置。
【請求項７】
複数の熱発電デバイス
を備え、
前記熱発電デバイスは、前記熱発電体を含み、少なくともその表面に比較的多くの孔を有する多孔質構造または発泡構造を有する、
請求項１から請求項６の何れか１項に記載の発電装置。
【請求項８】
熱発電体が所定の導電タイプの半導体として形成され、自発電装置の外部に存在するガスの成分に前記熱発電体の表面の状態が影響されないように、少なくとも１つの層を前記熱発電体の周りに設けられており、与えられた温度差に応じて前記熱発電体に発電させる、
発電方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電装置、及び発電方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
熱発電変換デバイスは、一般的にゼーベック効果を利用して熱発電変換を行うものである。その熱発電変換の性能を表す指標として、下記の式（１）で表わされる性能指数Ｚが用いられている。
【０００３】
Ｚ＝Ｓ２・σ／κ      ・・・（１）
【０００４】
上記の式（１）において、Ｓがゼーベック係数（Ｖ／Κ）を、σが導電率（Ｓ／ｍ）を、κが熱伝導率（Ｗ／（ｍ・Ｋ））をそれぞれ表す。ゼーベック係数Ｓは、絶対温度１Ｋあたりの熱起電力である。
【０００５】
上記の式（１）より、熱発電デバイスの熱発電変換の性能指数Ｚを高めるためには、熱発電変換材料のゼーベック係数Ｓの絶対値、及び、導電率σを大きくし、熱伝導率κを小さくすることが求められる。
【０００６】
一般に、主材料が導電率の高い金属または半導体である熱発電デバイスにおいては、導電率σと熱伝導率κは独立するものでは無く相互関係を有している。すなわち、導電率σに貢献する電子は熱を一緒に運ぶため、導電率σの高い材料は同時に熱伝導率κも大きくなる。すなわち導電率σと熱伝導率κはトレードオフの関係にあり、導電率σと熱伝導率κの関係には最適解が存在する。このため最適解を得るには、熱発電体の構造を多孔質構造または発泡構造とし、その空隙サイズや空隙率を制御して両者のトレードオフにおける最適解に近づけていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０１５−５３４６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、熱発電デバイスを多孔質構造または発泡構造として空隙領域を増加することに伴い、雰囲気ガスと接触する表面積が増加し、雰囲気ガスの酸化性または還元性により熱発電デバイスの表面電荷が拘束され、導電率が低下することがある。その結果として、導電率σと熱伝導率κ間で最適解に近づくように多孔質構造または発泡構造の空隙サイズや空隙率を調整しても、熱発電変換の性能指数Ｚを向上させることには大きく貢献しない場合があった。
【０００９】
本発明は、このような事情を鑑みてなされたものであり、熱発電変換の効率をより向上させることができる発電装置、及び発電方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上述した課題を解決するための本発明の一態様は、所定の導電タイプの半導体として形成された熱発電体と、自発電装置の外部に存在するガスの成分に前記熱発電体の表面の状態が影響されないように、前記熱発電体の周りに設けられた少なくとも１つの層と、を備える発電装置である。
【００１１】
また、上記の発電装置において、前記少なくとも１つの層は、前記熱発電体を収容する容器の少なくとも一部であって、前記熱発電体の表面に接する雰囲気ガスの濃度を所定の範囲内に保つように又は前記熱発電体が吸着する吸着ガスを除いた状態を保持するように形成されている。
【００１２】
また、上記の発電装置において、前記容器は、さらに脱酸素剤を収容する。
【００１３】
また、上記の発電装置において、前記少なくとも１つの層は、第１層として形成され、前記第１層と前記熱発電体との間に第２層が形成され、前記第２の層におけるガスの密度又は圧力の何れかが、所定値以下に保持されている。
【００１４】
また、上記の発電装置において、前記少なくとも１つの層は、前記熱発電体の表面を覆うコーティングであり、前記コーティングの材料の導電タイプは、前記熱発電体と同じ導電タイプである。
【００１５】
また、上記の発電装置において、前記コーティングの材料のキャリア濃度が前記熱発電体の材料のキャリア濃度以上である。
【００１６】
また、本発明の一態様は、熱発電体が所定の導電タイプの半導体として形成され、自発電装置の外部に存在するガスの成分に前記熱発電体の表面の状態が影響されないように、少なくとも１つの層を前記熱発電体の周りに設けられており、与えられた温度差に応じて前記熱発電体に発電させる発電方法である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、熱発電変換の効率をより向上させることができる発電装置、及び発電方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第１の実施形態の発電装置を示す構成図である。
【図２】実施形態の熱発電デバイスを説明するための図である。
【図３】実施形態の発電装置における内部の接続関係を説明するための矢視図である。
【図４】実施形態の熱発電体１１について説明するための図である。
【図５】比較例の熱発電体１１Ｚについて説明するための図である。
【図６】第２の実施形態の熱発電デバイスを説明するための図である。
【図７】第３の実施形態の熱発電デバイスを説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、実施形態の発電装置および熱発電方法について説明する。
【００２０】
（第１の実施形態）
図１は、本実施形態の発電装置を示す構成図である。
図１に示す発電装置１は、熱発電デバイス１０と、筐体２０とを備える。発電装置１は、さらに、熱発電デバイス１０間を電気的に接続する配線用部材としての接続導体２と、電極とを備える。
【００２１】
熱発電デバイス１０は、所定の導電タイプの半導体を含み、それを主材料とする。導電タイプは、多数キャリアの極性によりＮ型またはＰ型と呼ばれる。熱発電デバイス１０は、そこに温度差が生じると発電する。
【００２２】
熱発電デバイス１０は、例えば、上記半導体（原料）を微小な粒に紛体化して、それを焼結したものである。以下、上記の微小な粒を熱発電体微粒子と呼ぶ。
【００２３】
図２は、実施形態の熱発電デバイスを説明するための図である。
熱発電デバイス１０は、焼結により得られた熱発電体１１の集合体を成す。例えば、熱発電体１１の成分は、知られている熱発電効果がある材料を主成分とする。
その原料の熱発電体微粒子及び熱発電体１１の形状は不揃いであってもよい。
【００２４】
熱発電デバイス１０の詳細については後述する。
【００２５】
図１に戻り、筐体２０について説明する。
筐体２０は、その内部に、例えば、複数の熱発電デバイス１０を収容する。筐体２０は、プレート部２１とプレート部２２を備える。プレート部２１とプレート部２２の間に熱発電デバイス１０が配置されている。プレート部２１とプレート部２２のそれぞれは、熱発電デバイス１０に対し熱的に結合されており、筐体２０の外側の熱を熱発電デバイス１０に伝える。なお、プレート部２１とプレート部２２のそれぞれは、各熱発電デバイス１０に対し電気的に絶縁されている。
【００２６】
上記のように構成された熱発電デバイス１０は、プレート部２１の温度とプレート部２２の温度との温度差を利用して発電する。以下の説明では、例えば、プレート部２１の温度は、プレート部２２の温度より低いものとする。また、プレート部２１を低温側のプレート、プレート部２２を高温側のプレートと呼ぶことがある。
【００２７】
本実施形態の筐体２０は、プレート部２１とプレート部２２の他に、さらに側面部２３を備える。筐体２０は、プレート部２１とプレート部２２と、側面部２３とにより容器を成す。例えば、側面部２３は、発電装置１の外部に存在するガスの成分に熱発電体１１の表面の状態が影響されないように、熱発電体１１の周りに設けられており、少なくとも１つの層を成している。筐体２０は、例えば、その内部に注入された特定の性質のガスを封じて、そのガスの濃度の変化を制限する。このような筐体２０における側面部２３は、熱発電体１１を収容する容器の少なくとも一部である。
【００２８】
なお、筐体２０の内部には、少なくとも１個の空間３０が含まれる。例えば、筐体２０の内面の側面部２３等の範囲では、熱発電デバイス１０の表面から所定の距離を隔てて形成されており、熱的にも電気的にも熱発電デバイス１０の表面に接触しないように形成される。なお、筐体２０の内部に含まれる空間３０の個数は、これに制限されない。
【００２９】
例えば、筐体２０内に設けられる複数の熱発電デバイス１０は、それらの導電タイプが同じ導電タイプになるように統一されている。そして、統一された導電タイプに対応付けられる酸化性ガス又は還元性ガスが、筐体２０内に注入されている。なお、「酸化性ガス又は還元性ガスが、筐体２０内に注入されている」状態とは、「酸化性ガス又は還元性ガス」の濃度が、所定の濃度以上である状態をいう。例えば、その所定の濃度は、予め定められた温度差が熱発電デバイス１０に生じている場合に、その熱発電デバイス１０単体から発生する電圧が所望の電圧以上になる濃度に決定されてもよい。
【００３０】
上述したとおり筐体２０は、空間３０を封じることにより、その内部に注入された「酸化性ガス又は還元性ガス」を保持する。そのような筐体２０であれば、注入された「酸化性ガス又は還元性ガス」が熱発電デバイス１０に接触可能な状態を提供し、それを維持することができる。なお、「空間３０を封じ」た状態には、当該ガスを密閉した状態を含み、当該ガスと同じ種類のガスを、筐体２０と筐体２０に接続された熱交換器（不図示）等の間で循環させる状態をも含めてもよい。この場合、当該ガスの濃度が所定の範囲内に維持できるようにする。なお、上記の「所定の範囲」は、熱発電デバイス１０の構成と当該ガスの種類、濃度などによって決定される。
【００３１】
例えば、上記の通り、各熱発電デバイス１０の下端（プレート部２１側）と上端（プレート部２２側）との間に温度差を設けると、各熱発電デバイス１０のそれぞれが発電し、個々の熱発電デバイス１０の下端と上端の間に電位差が生じる。筐体２０内に設けられた熱発電デバイス１０の導電タイプを統一したことにより、熱発電デバイス１０の下端と上端に発生する電圧の極性が揃う。
【００３２】
図３は、実施形態の発電装置における内部の接続関係を説明するための矢視図である。
図３に、図１のＡＶ方向から側面部２３を透かして見た発電装置１を示す。発電装置１において、複数の熱発電デバイス１０は、筐体２０内に所定の規則に従い順に並べられている。例えば、各熱発電デバイス１０は、その隣又は比較的近くに配置した熱発電デバイス１０に接続される。なお、隣り合う熱発電デバイス１０同士を接続することにより、配線長を短くすることができ、接続導体２における損失を低減することができる。
【００３３】
例えば、各熱発電デバイス１０のそれぞれが直列になり、かつ、発電時の極性の方向が揃うように、各熱発電デバイス１０の間が接続導体２によって順に接続されている。接続導体２は、電気抵抗が比較的低く、かつ熱抵抗が比較的高いものであることが望ましい。例えば、プラスチック導電体は、接続導体２の一例である。
【００３４】
直列に接続された熱発電デバイス１０の組のうち、その両端にあたる熱発電デバイス１０には、それぞれ電極４が接続されている。この電極４間の電圧が、組にした熱発電デバイス１０がそれぞれ生成した電圧の合計値になる。
【００３５】
［熱発電デバイス１０について］
次に、本実施形態の熱発電デバイス１０について説明する。
【００３６】
＜熱発電デバイス１０の構造について＞
前述の図２に示したように、熱発電デバイス１０は、その表面に比較的多くの孔を有する多孔質構造または発泡構造をとる。例えば、熱発電デバイス１０は、熱発電体１１の熱発電体微粒子を含む紛体を原料とし、それを焼結することで得ることができる。熱発電体微粒子の形状及び大きさは、予め定められた範囲内で不揃いであってもよい。例えば、熱発電体微粒子の大きさは、その最大寸法が１ナノメートルから数十ナノメートル（以下、ナノサイズという。）のものであってもよい。なお、熱発電デバイス１０の生成方法は、これに制限されない。
本実施形態では、熱発電デバイス１０を多孔質構造や発泡構造にすることにより、フォノン散乱を高めて、熱伝導率κをより小さくしている。
【００３７】
また、熱発電デバイス１０を多孔質構造や発泡構造にしたことにより、熱発電デバイス１０の表面積が増加し、それに伴い熱発電デバイス１０が雰囲気ガスを吸着する性質が強く現れる。
【００３８】
例えば、熱発電デバイス１０のこのような性質により、酸素の吸着が影響することがある。この酸素の吸着が影響する場合には、酸化性ガスまたは還元性ガスの代わりに、食品の保存などに用いられる脱酸素剤を封入することで、特定の雰囲気ガスを除き、その状態を保持することも有効である。
【００３９】
＜原料の微粒子化について＞
熱発電デバイス１０の原料の微粒子化について検討する。上記の原料を微粒子化することにより、微小な熱発電体微粒子を含む紛体を得ることができる。例えば、熱発電体微粒子をナノサイズほどの大きさにすると、その効果で熱発電デバイス１０のゼーベック係数Ｓが大きくなる。それを焼結して発泡構造にすることにより熱発電デバイスの表面積が増加するために熱伝導率κが低下する。
【００４０】
ところで、単に熱発電体を多孔質構造や発泡構造にした場合には、熱伝導率κは小さくできる反面、逆に熱発電体の断面積が空隙分減少するために導電率σが小さくなり、その結果として性能指数Ｚを大きく改善でないという第１のトレードオフが生じることが有る。
【００４１】
例えば、図２に示すような形状を有する熱発電体１１が、熱発電デバイス１０の内部に形成されることがある。図２に示す形状は、熱発電体１１を模式化した一例を示すものであり、これに制限されるものではない。
【００４２】
図２に示すような熱発電体１１におけるナノサイズの熱発電体微粒子同士の接合部は、熱発電体微粒子そのものの微小化に伴い非常に小さくなる。そのために、熱発電体微粒子同士の接合部が小さくなったことの影響により、逆に熱発電体１１の導電率σが低減することが有る。この場合、ゼーベック係数Ｓ、導電率σ、熱伝導率κの間に、上記の第１のトレードオフとは別の第２のトレードオフが発生する。
【００４３】
＜熱発電体１１について＞
以下、本実施形態における熱発電体１１について説明する。本実施形態では、熱発電体１１に適した酸化性ガス又は還元性ガスを、それに組み合わせて利用するようにしたことで、上記の「第２のトレードオフ」が生じないようにしている。以下、上記の「第２のトレードオフ」が生じ得る事例を比較例として示し、それと対比する。
【００４４】
図４は、実施形態の熱発電体１１について説明するための図である。図５は、比較例の熱発電体１１Ｚについて説明するための図である。
【００４５】
熱発電体１１と熱発電体１１Ｚの原料、製造方法等が同じものであり、使用される環境により、その作用が異なるものとなる。熱発電体１１と熱発電体１１Ｚに共通する事項は、熱発電体１１を例示して説明する。
熱発電体１１の原料は、ナノサイズの微粒子である。熱発電デバイス１０が多孔質構造または発泡構造で形成された場合、熱発電体１１と熱発電体１１Ｚの表面積は、原料を微粒子化しない場合より増加する。
【００４６】
上記の図２に示したように本実施形態の熱発電体１１同士は、互いに接触している。熱発電体１１同士の間には、隙間が存在する。その隙間が空間３０に繋がっており、筐体２０内に注入された気体は、この隙間にも回り込む。
【００４７】
以下の説明では、熱発電体１１がＮ型半導体から生成される場合を例示する。
【００４８】
図４の熱発電体１１と図５の熱発電体１１Ｚにおいて、それぞれの表面から内部に向かう空間電荷層（空間電荷層１３、空間電荷層１３Ｚ）が存在するが、その状況は下記の通り異なるものになる。
【００４９】
図４に示す実施形態の熱発電体１１の周囲には還元性ガス１６が存在する。水素、一酸化炭素などは、還元性ガス１６の一例である。以下、本実施形態の説明において、還元性ガス１６として水素（Ｈ２）を適用した事例について説明する。
【００５０】
その一方で、図５に示す比較例の熱発電体１１Ｚの周囲には還元性ガス１６が存在していない。なお、本願における「還元性ガス１６が存在する」とは、予め決定される所定の濃度範囲内の還元性ガス１６が存在する状態のことであり、「還元性ガス１６が存在していない」とは、還元性ガス１６が存在していても、その濃度が予め決定される所定の濃度範囲内ではない状態、その還元性ガス１６が非検出の状態などのことである。
【００５１】
図５に示す比較例の場合には、熱発電体１１Ｚは、その表面（以下、デバイス表面という。）が空気中の酸素に触れており、熱発電体１１の表面には、通常酸素が吸着している。この吸着酸素は、熱発電体１１から電子を引き抜き負電荷になって、酸素イオン（Ｏ−）、水酸化物イオン（ＯＨ−）などが、熱発電体１１Ｚの表面に吸着するように作用する。この場合、デバイス表面の多数キャリアである電子は、その吸着酸素に拘束され、デバイス表面から内部には電気的に中性な空間電荷層１３Ｚが形成される。熱発電体１１Ｚ内で電気が流れる方向に直交する断面に着目すると、その断面に対する空間電荷層１３Ｚの面積が増大することにより、多数キャリアである電子が流れる部分（実質的な導電領域１２Ｚ）の面積が狭くなる。そのため、比較例の熱発電体１１Ｚには、導電率が所望の値より低くなることがある。
【００５２】
また、原料の粒子を微細なものにするほど、熱発電体１１Ｚの表面からの空間電荷層１３Ｚの幅の影響が大きくなる。例えば、熱発電体１１Ｚの表面からの空間電荷層１３Ｚの幅が、粒子の大きさ（直径等）の半分に近くなると、粒子同士の結合架橋部または粒子（熱発電体１１）全体が空間電荷層１３Ｚで支配される状態になる。比較例の熱発電体１１Ｚには、このような場合が生じて、導電率が所望の値より低くなることがある。
【００５３】
これに対し、図４に示す実施形態の熱発電体１１の場合、還元性ガス１６が筐体２０に注入されるまでは、熱発電体１１Ｚと同様に、熱発電体１１の表面に酸素イオン（Ｏ−）、水酸化物イオン（ＯＨ−）などが吸着されている。熱発電体１１は、筐体２０に還元性ガスが注入されることにより還元される。
【００５４】
その結果、熱発電体１１の導電タイプがＮ型であり、それが多孔質構造または発泡構造を有する場合であっても、筐体２０に還元性ガスを封入することにより、熱発電体１１のデバイス表面の吸着酸素イオンが還元されて酸素イオン（Ｏ−）、水酸化物イオン（ＯＨ−）などの吸着ガスが減少する。
【００５５】
熱発電体１１においても、そのデバイス表面の多数キャリアである電子は、その吸着酸素に拘束され、デバイス表面から内部には電気伝導には貢献しない空間電荷層１３が形成され、実効的な電気伝導領域が減少するため、熱発電体１１の導電率σが低くなる。デバイス表面の吸着酸素が還元作用により減少するに伴い、熱発電体１１側に拘束から解放された多数キャリアである電子が残る。これにより、比較例に比べて、表面近傍の空間電荷層１３の幅（表面空間電荷層幅）が薄くなり、異なる熱発電体１１間及び熱発電体１１内の粒界のポテンシャル障壁が低下して、熱発電体１１の導電率σが高まる。
【００５６】
なお、発電装置以外の事例で、半導体をセンサとして利用する事例が知られている。このようなセンサは、外部から供給される電力を利用して還元性ガス等を検出するものである。ただし、センサは、単に外部から供給される電力を消費するものに過ぎず、本実施形態に示すような発電装置ではないことは言うまでもない。
【００５７】
なお熱発電体は、大気中で発電性能を示すものであっても、それと同じ原料から微細化した粒子を生成し、その粒子を焼結して熱発電体を形成する場合に、その発電性能が著しく低下することが有る。上記のように、大気中における発電性能が著しく低下する材質の熱発電体に対し、実施形態のように、その熱発電体の周囲を、酸化性ガス又は還元性ガスで満たすことにより、発電性能を回復させることができる場合がある。
【００５８】
上記の実施形態によれば、熱発電デバイス１０の熱発電体１１は、所定の導電タイプ（Ｎ型またはＰ型）に形成される。筐体２０は、酸化性ガスと還元性ガスのうちの何れかの雰囲気ガスが、熱発電体１１の表面に接触するように保持することにより、熱発電デバイス１０は、熱発電変換の効率をより向上させることができる。
しいては、実施形態の発電装置１は、大気中では発電効率が低い熱発電体１１に、熱発電体１１の種類に基づいて予め定められた酸化性ガス又は還元性ガスである雰囲気ガスに接触させることにより、その熱発電体１１によって発電効率を高めることを可能にする。なお、雰囲気ガスは、熱発電体１１の導電タイプにより決定されてもよい。
【００５９】
また、発電装置１は、熱発電体１１に吸着した発電性能に影響する雰囲気ガスを酸化または還元反応で除去するとともに、それ以降発電性能に影響する雰囲気ガスが熱発電体１１に接触しないように、雰囲気ガスを遮断する。例えば、発電装置１の筐体２０は、熱発電体１１に吸着した発電性能に影響する雰囲気ガスを酸化または還元反応で除去する工程を経た後の熱発電体１１を、筐体２０の内部に封じている。筐体２０は、熱発電体１１に吸着した発電性能に影響する雰囲気ガスを酸化または還元反応で除去する工程を経た後に、発電性能に影響する雰囲気ガスが熱発電体１１に接触しないように、外部の雰囲気ガスを遮断することにより、熱発電体１１の熱発電変換の効率をより向上させる。
【００６０】
なお、筐体２０は、熱発電体１１を収容し、熱発電体１１の表面に接する酸化性ガス又は還元性ガス１６の濃度を所定の範囲内に保つように形成されており、酸化性ガス又は還元性ガス１６を封じる容器として機能する。又は筐体２０は、熱発電体１１が吸着する吸着ガスを除いた状態を保持する容器として機能してもよい。後者の場合、筐体２０（容器）は、さらに脱酸素剤１７（図３）を収容してもよい。これにより、熱発電デバイス１０は、酸化性ガス又は還元性ガス１６を用いて熱発電変換の効率をより向上させることができる。なお、脱酸素剤１７は、例えば、筐体２０とは別体で形成されていてもよく、筐体２０（容器）の内面一部又は全部に塗布されていてもよい。
【００６１】
このような発電装置１は、所定の導電タイプの半導体として形成された熱発電体１１と、自発電装置１の外部に存在するガスの成分に熱発電体１１の表面の状態が影響されないように、熱発電体１１の周りに設けられた少なくとも１つの層を持つ筐体２０と、を備えることにより、熱発電体１１に吸着した発電性能に影響する雰囲気ガスが熱発電体１１に接触しないように雰囲気ガスを遮断する。これにより、熱発電デバイス１０は、熱発電変換の効率をより向上させることができる。
【００６２】
なお、熱発電体１１は、その表面に比較的多くの孔を有する多孔質構造または発泡構造を有すものであってもよく、これにより、熱発電体１１の熱伝導率を低下させることが容易になり、熱発電体１１に掛かる温度差の低下を制限することで、熱発電デバイス１０における熱発電変換の効率をより向上させることができる。
【００６３】
（第１の実施形態の変形例）
上記の第１の実施形態では、熱発電体１１が吸着する吸着ガスを除いた状態を保持する容器として筐体２０を機能させる一例を示したが、筐体２０内を下記のように形成してもよい。
【００６４】
筐体２０は、熱発電体１１を収容する容器として形成され、容器内部のガスの濃度又は容器内部の圧力を所定値以下に保つように形成されている。例えば、容器内部と外部を隔てる壁部が、筐体２０の外部に存在するガス（大気）を遮断するとよい。また、例えば、容器内部が所定圧以下に減圧された状態を保持できるように、壁部の強度が形成されているとよい。このような壁部は、１又は複数の層を成して形成されていてもよい。
【００６５】
上記のように容器内部のガスの濃度又は容器内部の圧力を所定値以下に保たれた状態は、所謂真空状態又は真空に近い状態ということがある。所謂魔法瓶に入れた液体の熱を外部に伝えないように、上記のように筐体２０とその内部（容器内部）が形成されていれば、筐体２０に収容している熱発電体１１の熱がその外部に伝わりにくくなる。
【００６６】
このような変形例の発電装置１は、筐体２０の隔壁部分（第１層）が、熱発電体１１との間に隙間（第２層）を形成する。例えば、空間３０は、上記隙間（第２層）の一例である。筐体２０と熱発電体１１との隙間におけるガスの密度又は圧力の何れかが所定値以下に保持されていることにより、高熱部からの熱の伝導が抑制されるので熱発電変換の効率をより向上させることができる。
【００６７】
なお、筐体２０は、外部に存在するガス（大気）を遮断するものであることの他、外部からの光を遮るもの又は外部からの光の透過量を制限するものであってもよい。外部からの光とは、赤外光、可視光等の波長帯を含むものであってよく、赤外光、可視光等の波長帯のうち少なくとも一部の波長帯の光であってよい。また、筐体２０は、上記の光の他、紫外線、放射線、電波等の電磁エネルギーの透過量を減衰するものであってよい。なお、熱発電体１１は、例えば少なくとも単一の導電タイプで形成されており、相補の導電タイプを備えていなくてもよい。
【００６８】
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。第１の実施形態では、筐体２０に酸化性ガス又は還元性ガスを封入する事例について説明した。本実施形態では、これに代えて、表面をコーティングした熱発電体１１Ａを適用する事例について説明する。第１の実施形態と同じ構成、或いは、置き換え可能な構成には、同じ符号を付す。第１の実施形態との相違点を中心に説明する。なお、熱発電体１１Ａは、熱発電体１１に対応する。
【００６９】
実施形態の発電装置１は、熱発電デバイス１０と、筐体２０とを備える。
実施形態の筐体２０は、プレート部２１とプレート部２２を備える。なお、筐体２０は、側面部２３を備えていなくてもよい。その場合、筐体２０は、開放されており、熱発電デバイス１０は空気中に配置されてもよい。
【００７０】
図６は、実施形態の熱発電デバイスを説明するための図である。
図６に示すように、実施形態の熱発電デバイス１０は、熱発電体１１Ａを含む。熱発電体１１Ａの表面は、コーティング膜１４によってコーティングされている。コーティング膜１４は、熱発電体１１Ａの導電タイプと同じ導電タイプでキャリア濃度が高い材料を含む。これにより、コーティング膜１４に接触する熱発電体１１Ａの空間電荷層１３Ａの幅（表面空間電荷層幅）が薄くなり、熱発電体１１Ａ内の粒界のポテンシャル障壁が低下し、導電率σを増加させることができる。
【００７１】
なお、熱発電体１１Ａの表面は、ＣＶＤ（chemical vapor deposition）法によってコーティングが施されてもよい。なお、ＣＶＤ法は、熱発電体１１Ａの表面をコーティングする方法の一例であり、コーティングする方法はこれに制限されない。
【００７２】
例えば、アモルファスシリコンやＰＳＧ（Phospho-Silicate Glass：リン化酸化膜ガラス）は、コーティング膜１４の一例である。コーティング膜材料は、これに制限されない。
【００７３】
なお、コーティング膜１４は、熱発電体１１Ａの表面に１又は複数の層状に設けられている。例えば、コーティング膜１４の厚さは、熱発電体１１Ａの材質、粒子サイズ、キャリア濃度、コーティング膜１４のキャリア濃度等に基づいて決定された所定の厚さより厚くするとよい。
【００７４】
以下、熱発電体１１Ａの導電タイプがＮ型であり、コーティング膜がアモルファスシリコンである事例を例示して、それについて説明する。
【００７５】
Ｎ型の熱発電体１１Ａの表面に熱発電体１１Ａのキャリア濃度よりキャリア濃度が高いアモルファスシリコン（コーティング膜１４）がコーティングされる。そのコーティングは、熱発電体１１の表面近傍に施される。このようなコーティングが施された場所には、
空間電荷層ができる。その結果、熱発電体１１の表面近傍の空間電荷層１３Ａの幅が狭くなるとともに、それに反して、実質的な導電領域１２Ａが広くなる。その結果、導電率σが大きくなる。
【００７６】
上記の実施形態によれば、第１の実施形態に比べて、空気中に配置した状態でも発電効率を高められる利点がある。
【００７７】
（第２の実施形態の変形例）
第２の実施形態に示したように、コーティング膜１４によるコーティングを施す場合には、互いに異なる導電タイプ（Ｎ型とＰ型）の熱発電体１１Ａをそれぞれ独立して製造できる。「独立して製造できる」とは、異なる導電タイプの熱発電体１１Ａの構造を互いに異なる構造、又は、方式のものにすることを含む。
また、本変形例の場合、互いに異なる導電タイプの熱発電体１１Ａを、同一の筐体２０（パッケージ）内に共存実装したり、交互に連ねて電気的に直列に接続したりしてもよい。
【００７８】
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。第１の実施形態では、筐体２０に酸化性ガス又は還元性ガスを用いる事例について説明した。また、第２の実施形態では、熱発電体１１の表面をコーティング膜１４で覆う事例について説明した。本実施形態では、これに代えて、ガラス質の粒子を用いる事例について説明する。第１の実施形態と同じ構成、或いは、置き換え可能な構成には、同じ符号を付す。第１の実施形態との相違点を中心に説明する。
【００７９】
実施形態の発電装置１は、熱発電デバイス１０と、筐体２０とを備える。
実施形態の筐体２０は、プレート部２１とプレート部２２を備える。なお、筐体２０は、側面部２３を備えていなくてもよい。その場合、筐体２０は、開放されており、熱発電デバイス１０は空気中に配置されてもよい。
【００８０】
図７は、実施形態の熱発電デバイスを説明するための図である。
図７に示すように、実施形態の熱発電デバイス１０は、熱発電体１１Ｂと、ガラス粒子１５とを備える。
【００８１】
本実施形態のガラス粒子１５は、熱発電体１１Ｂの導電タイプやキャリア濃度とは無関係に形成される。
なお、ガラス質の粒子の大きさは、熱発電体１１Ｂの原料の粒子の大きさより小さくするとよい。
【００８２】
熱発電デバイス１０では、熱発電体１１Ｂとガラス粒子１５とが混合されている。ガラス粒子１５は、熱発電体１１Ｂの表面に接触する。これにより、吸着酸素は熱発電体１１Ｂの表面よりガラス粒子との結合が強いため、熱発電体１１Ｂの酸素イオンが減少し熱発電体１１Ｂの空間電荷層１３Ｂの幅（表面空間電荷層幅）が薄くなり、熱発電体１１Ｂの粒界のポテンシャル障壁が低下し、導電率σを増加させることができる。
【００８３】
以下、熱発電体１１Ｂの導電タイプが、Ｐ型であり、ガラス粒子１５が、ＰＳＧである事例を例示して、それについて説明する。
【００８４】
Ｐ型の熱発電体１１Ｂの表面にＰＳＧを主材料とするガラス粒子１５が接触する場合には、ＰＳＧのキャリア濃度を熱発電体１１Ｂのキャリア濃度より高くすることにより、熱発電体１１Ｂの表面近傍に生じる空間電荷層幅が狭くなり、実質的な導電領域１２Ｂが広くなる。その結果、導電率σが大きくなる。
【００８５】
上記の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果を奏することのほかに、ガラス粒子１５は、熱発電体１１Ｂの表面に接触する。ガラス粒子１５は、熱発電体１１Ｂの導電タイプと同じ導電タイプで、熱発電体１１Ｂの材料のキャリア濃度より、そのキャリア濃度が高い材料で形成されていることにより、ガラス粒子１５と混合された熱発電体１１Ｂにおける熱発電変換の効率をより向上させることができる。
【００８６】
以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、発電装置１は、所定の導電タイプの半導体として形成された熱発電体１１が、発電装置１の外部に存在するガスの成分に熱発電体１１の表面付近の多数キャリアの導電率が影響されないように、熱発電体１１の周りに設けられた少なくとも１つの層と、とを備えることにより、熱発電変換の効率をより向上させることができる。なお、実施形態における熱発電体１１の表面付近とは、熱発電体１１の表面と、その表面から比較的浅い範囲の内部の領域とを含む領域のことである。また、実施形態における熱発電体１１の表面の状態には、その表面付近の多数キャリアの密度（密度比）、その表面付近の導電率などが含まれる。熱発電体１１の表面付近に存在する多数キャリアの導電率（密度比）が、その表面付近の導電率に影響する。実施形態の発電装置１であれば、発電装置１の外部に存在するガスの成分に熱発電体１１の表面の状態が影響されずに、熱発電変換の効率をより向上させることができる。
【００８７】
別の観点によれば、発電装置１は、熱発電体１１に吸着するガスを除く物質または吸着ガスの影響を小さくするための物資が、熱発電体１１の表面に接触する状態を保持するための少なくとも１つの層を備えるものであってよい。
【００８８】
以上、本発明を実施するための形態について実施形態を用いて説明したが、本発明はこうした実施形態に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変形及び置換を加えることができる。
なお、コーティング膜１４は、熱発電体１１の導電タイプと同じ導電タイプで、かつその材料のキャリア濃度が高いほど、熱発電体１１の熱発電変換の効率をより向上させることができる。
なお、符号１６は、熱発電体１１の導電性タイプにより決定され、還元性ガスに代えて、酸化性ガスであってもよい。
【符号の説明】
【００８９】
１‥発電装置、２…接続導体、４…電極、１０…熱発電デバイス、１１、１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｚ…熱発電体、１２、１２Ａ、１２Ｂ、１２Ｚ…実質的な導電領域、１３、１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｚ…空間電荷層（空乏層）、１４…コーティング膜（層）、１５…ガラス粒子、１６…還元性ガス（雰囲気ガス）、１７…脱酸素剤、２０…筐体、２１、２２…プレート部、２３…側面部（層、第１層）、３０…空間（第２層）
【図１】
2018152546.tif 000003
【図２】
2018152546.tif 000004
【図３】
2018152546.tif 000005
【図４】
2018152546.tif 000006
【図５】
2018152546.tif 000007
【図６】
2018152546.tif 000008
【図７】
2018152546.tif 000009