(57)【要約】【課題】熱源からの熱をＰ型半導体層及びＮ型半導体層の一端側に効率良くに伝えることを可能とした熱電変換装置を提供する。【解決手段】基材２と、基材２の一面側にＮ型半導体層６とＰ型半導体層７とが絶縁層８ａ，８ｂを介して積層された熱電変換素子部５と、熱電変換素子部５を厚み方向に貫通した状態で、基材２と熱的に接合された伝熱部１０とを備え、熱電変換素子部５の伝熱部１０と向かい合う側において、Ｎ型半導体層６及びＰ型半導体層７と伝熱部１０との間が電気的に絶縁された状態で、Ｎ型半導体層６及びＰ型半導体層７の一端側と伝熱部１０とが熱的に接合されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材と、
前記基材の一面側にＮ型半導体層とＰ型半導体層とが絶縁層を介して積層された熱電変換素子部と、
前記熱電変換素子部を厚み方向に貫通した状態で、前記基材と熱的に接合された伝熱部とを備え、
前記熱電変換素子部の前記伝熱部と向かい合う側において、前記Ｎ型半導体層及び前記Ｐ型半導体層と前記伝熱部との間が電気的に絶縁された状態で、前記Ｎ型半導体層及び前記Ｐ型半導体層の一端側が前記伝熱部と熱的に接合されていることを特徴とする熱電変換装置。
【請求項２】
前記基材と前記熱電変換素子部との間に設けられた第１のバッファ層又は空気層を備え、
前記伝熱部は、前記第１のバッファ層又は前記空気層よりも熱伝導率が高いことを特徴とする請求項１に記載の熱電変換装置。
【請求項３】
前記第１のバッファ層又は前記空気層と前記熱電変換素子部との間に設けられた第２のバッファ層を備えることを特徴とする請求項２に記載の熱電変換装置。
【請求項４】
前記伝熱部は、前記熱電変換素子部の内側において前記熱電変換素子部を貫通した状態で設けられていることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の熱電変換装置。
【請求項５】
前記伝熱部は、前記熱電変換素子部を分断した状態で設けられていることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の熱電変換装置。
【請求項６】
前記熱電変換素子部は、前記Ｎ型半導体層と前記Ｐ型半導体層とが前記絶縁層を介して繰り返し積層された構造を有し、
且つ、前記熱電変換素子部の前記伝熱部と向かい合う側において、前記絶縁層を挟んで隣り合う前記Ｎ型半導体層と前記Ｐ型半導体層との一端側を電気的に接続する温接点側電極と、
前記熱電変換素子部の前記伝熱部と向かい合う側とは反対側において、前記絶縁層を挟んで隣り合う前記Ｎ型半導体層と前記Ｐ型半導体層との他端側を電気的に接続する冷接点側電極とを有して、
前記熱電変換素子部の厚み方向において、前記温接点側電極と前記冷接点側電極とが交互にずれて配置されることによって、前記絶縁層を介して繰り返し積層された前記Ｎ型半導体層と前記Ｐ型半導体層とが交互に直列に接続されていることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の熱電変換装置。
【請求項７】
前記熱電変換素子部の前記伝熱部と向かい合う側とは反対側において、前記Ｎ型半導体層及び前記Ｐ型半導体層と電気的に絶縁された状態で、前記Ｎ型半導体層及び前記Ｐ型半導体層の他端側と熱的に接合された伝熱部材を備えることを特徴とする請求項６に記載の熱電変換装置。
【請求項８】
ｐ型半導体層とｎ型半導体層とを含む光電変換素子部を備え、
前記基材は、前記光電変換素子部を構成するｐ型半導体層とｎ型半導体層との何れか一方の半導体層を含むことを特徴とする請求項１〜７の何れか一項に記載の熱電変換装置。
【請求項９】
前記光電変換素子部を構成するｐ型半導体層とｎ型半導体層とのうち、何れか一方の半導体層と電気的に接続された下部電極と、何れか他方の半導体層と電気的に接続された上部電極とを備えることを特徴とする請求項８に記載の熱電変換装置。
【請求項１０】
前記基材と前記熱電変換素子部との間に設けられた接続電極を介して、前記一方の半導体層と前記下部電極とが電気的に接続されていることを特徴とする請求項９に記載の熱電変換装置。
【請求項１１】
前記光電変換素子部は、前記ｐ型半導体層と前記ｎ型半導体層との間に真性半導体層を含むことを特徴とする請求項８〜１０の何れか一項に記載の熱電変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、材料の熱電特性を利用した熱電変換素子（熱電変換装置）の応用が検討されている。具体的には、ゼーベック効果を利用した熱電変換素子の、例えば、外気と人体との温度差を利用した発電素子や、自動車、焼却炉又は暖房器具などからの排熱を利用した発電素子への応用が検討されている。一方、ペルチェ効果を利用した熱電変換素子の、例えば、ＣＰＵやレーザ媒質に対する冷却素子への応用が検討されている。その中でも特に、熱電変換素子の発電素子への応用は、エネルギーハーベストの要素として注目されている。
【０００３】
例えば、下記特許文献１に記載の熱電変換素子は、基板の上にバッファ層を介して熱電変換材料層を積層した構造を有している。また、各熱電変換材料層は、Ｎ型半導体層とＰ型半導体層とが絶縁層を介して積層された構造を有している。さらに、各熱電変換材料層の一方の側端面には、前記絶縁層を挟んで隣り合うＮ型半導体層とＰ型半導体層との一端側を電気的に接続する一方の電極層が設けられている。これに対して、各熱電変換材料層の他方の側端面には、厚み方向において隣り合う一方の熱電変換材料層のＰ型半導体層と、他方の熱電変換材料層のＮ型半導体層との他端側を電気的に接続する他方の電極層が設けられている。
【０００４】
以上のような構成を有する熱電変換素子では、熱源から各Ｐ型半導体層及びＮ型半導体層の一端側に伝わる熱によって、各Ｐ型半導体層及びＮ型半導体層の一端側が相対的に高温となる。一方、各Ｐ型半導体層及びＮ型半導体層に伝わる熱は、各Ｐ型半導体層及びＮ型半導体層の他端側から外部に放熱されるため、各Ｐ型半導体層及びＮ型半導体層の他端側が相対的に低温となる。したがって、各Ｐ型半導体層及びＮ型半導体層の一端側と他端側との間に温度差が発生するため、ゼーベック効果による起電力を得ることが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−２１０８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上述した特許文献１に記載の熱電変換素子において、熱源からの熱を効率良く利用するためには、各熱電変換材料層の一端側の側端面に対して熱源から伝わる熱を集中させる必要がある。
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載の熱電変換素子では、各熱電変換材料層の側端面の面積が小さいため、熱源からの熱を各熱電変換材料層の側端面に集中させて、各Ｐ型半導体層及びＮ型半導体層の一端側へと効率良く伝えることが困難である。したがって、熱源からの熱を効率良く利用できないおそれがある。
【０００８】
本発明は、このような従来の事情に鑑みて提案されたものであり、熱源からの熱をＰ型半導体層及びＮ型半導体層の一端側に効率良くに伝えることを可能とした熱電変換装置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】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
〔１〕  基材と、
前記基材の一面側にＮ型半導体層とＰ型半導体層とが絶縁層を介して積層された熱電変換素子部と、
前記熱電変換素子部を厚み方向に貫通した状態で、前記基材と熱的に接合された伝熱部とを備え、
前記熱電変換素子部の前記伝熱部と向かい合う側において、前記Ｎ型半導体層及び前記Ｐ型半導体層と前記伝熱部との間が電気的に絶縁された状態で、前記Ｎ型半導体層及び前記Ｐ型半導体層の一端側が前記伝熱部と熱的に接合されていることを特徴とする熱電変換装置。
〔２〕  前記基材と前記熱電変換素子部との間に設けられた第１のバッファ層又は空気層を備え、
前記伝熱部は、前記第１のバッファ層又は前記空気層よりも熱伝導率が高いことを特徴とする前記〔１〕に記載の熱電変換装置。
〔３〕  前記第１のバッファ層又は前記空気層と前記熱電変換素子部との間に設けられた第２のバッファ層を備えることを特徴とする前記〔２〕に記載の熱電変換装置。
〔４〕  前記伝熱部は、前記熱電変換素子部の内側において前記熱電変換素子部を貫通した状態で設けられていることを特徴とする前記〔１〕〜〔３〕の何れか一項に記載の熱電変換装置。
〔５〕  前記伝熱部は、前記熱電変換素子部を分断した状態で設けられていることを特徴とする前記〔１〕〜〔３〕の何れか一項に記載の熱電変換装置。
〔６〕  前記熱電変換素子部は、前記Ｎ型半導体層と前記Ｐ型半導体層とが前記絶縁層を介して繰り返し積層された構造を有し、
且つ、前記熱電変換素子部の前記伝熱部と向かい合う側において、前記絶縁層を挟んで隣り合う前記Ｎ型半導体層と前記Ｐ型半導体層との一端側を電気的に接続する温接点側電極と、
前記熱電変換素子部の前記伝熱部と向かい合う側とは反対側において、前記絶縁層を挟んで隣り合う前記Ｎ型半導体層と前記Ｐ型半導体層との他端側を電気的に接続する冷接点側電極とを有して、
前記熱電変換素子部の厚み方向において、前記温接点側電極と前記冷接点側電極とが交互にずれて配置されることによって、前記絶縁層を介して繰り返し積層された前記Ｎ型半導体層と前記Ｐ型半導体層とが交互に直列に接続されていることを特徴とする前記〔１〕〜〔５〕の何れか一項に記載の熱電変換装置。
〔７〕  前記熱電変換素子部の前記伝熱部と向かい合う側とは反対側において、前記Ｎ型半導体層及び前記Ｐ型半導体層と電気的に絶縁された状態で、前記Ｎ型半導体層及び前記Ｐ型半導体層の他端側と熱的に接合された伝熱部材を備えることを特徴とする前記〔６〕に記載の熱電変換装置。
〔８〕  ｐ型半導体層とｎ型半導体層とを含む光電変換素子部を備え、
前記基材は、前記光電変換素子部を構成するｐ型半導体層とｎ型半導体層との何れか一方の半導体層を含むことを特徴とする前記〔１〕〜〔７〕の何れか一項に記載の熱電変換装置。
〔９〕  前記光電変換素子部を構成するｐ型半導体層とｎ型半導体層とのうち、何れか一方の半導体層と電気的に接続された下部電極と、何れか他方の半導体層と電気的に接続された上部電極とを備えることを特徴とする前記〔８〕に記載の熱電変換装置。
〔１０〕  前記基材と前記熱電変換素子部との間に設けられた接続電極を介して、前記一方の半導体層と前記下部電極とが電気的に接続されていることを特徴とする前記〔９〕に記載の熱電変換装置。
〔１１〕  前記光電変換素子部は、前記ｐ型半導体層と前記ｎ型半導体層との間に真性半導体層を含むことを特徴とする前記〔８〕〜〔１０〕の何れか一項に記載の熱電変換装置。
【発明の効果】
【００１０】
以上のように、本発明を適用した熱電変換装置では、基材側に熱源を配置することによって、この熱源から基材に伝わる熱を伝熱部からＰ型半導体層及びＮ型半導体層の一端側へと効率良く伝えることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る熱電変換装置の概略構成を示す断面図である。
【図２】図１に示す熱電変換装置が備える伝熱部の各構成を例示した平面図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る熱電変換装置の概略構成を示す断面図である。
【図４】本発明の第３の実施形態に係る熱電変換装置の概略構成を示す断面図である。
【図５】本発明の第４の実施形態に係る熱電変換装置の概略構成を示す断面図である。
【図６】図１に示す熱電変換装置の変形例を示す断面図である。
【図７】図１に示す熱電変換装置の変形例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴をわかりやすくするために、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らないものとする。また、以下の説明において例示される材料等は一例であって、本発明はそれらに必ずしも限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
【００１３】
（第１の実施形態）
先ず、本発明の第１の実施形態として、例えば図１及び図２に示す熱電変換装置１Ａについて説明する。なお、図１は、熱電変換装置１Ａの概略構成を示す断面図である。図２（ａ），（ｂ）は、熱電変換装置１Ａが備える伝熱部１０の各構成を例示した平面図である。
【００１４】
本実施形態の熱電変換装置１Ａは、図１に示すように、基板２の一面側に第１のバッファ層３及び第２のバッファ層４を介して熱電変換素子部５が配置された構造を有している。また、熱電変換素子部５は、Ｎ型半導体層６とＰ型半導体層７とが絶縁層８ａ，８ｂを介して繰り返し積層された構造を有している。すなわち、この熱電変換素子部５は、Ｎ型半導体層６とＰ型半導体層７とが絶縁層８ａを介して積層された熱電変換材料層９を、更に絶縁層８ｂを介して複数（本実施形態では３層）積層した構造を有している。
【００１５】
なお、熱電変換素子部５については、上述した複数の熱電変換材料層９が積層された構造に必ずしも限定されるものではなく、少なくとも１層以上の熱電変換材料層９を含む構成であればよい。
【００１６】
基板２は、平板状の基材からなる。基材としては、例えば、シリコン（Ｓｉ）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）などを用いることができる。
【００１７】
第１のバッファ層３及び第２のバッファ層４は、半導体分野において通常用いられるバッファ層としての機能の他に、基板２の熱電変換素子部５が配置された側（一面側）とは反対側（他面側）に熱源Ｈを配置したときに、この熱源Ｈから基板２に伝わる熱を熱電変換素子部５との間で遮断（断熱）する機能を有している。
【００１８】
また、第１のバッファ層３及び第２のバッファ層４の少なくとも一方は、絶縁性を有することが好ましい。これにより、基板２と熱電変換素子部５との間で電気的な短絡が生じるのを防止することが可能である。
【００１９】
本実施形態では、例えば、基板２として、Ｓｉ基板を用い、第１のバッファ層３として、ジルコニア（ＺｒＯ２）又は安定化ジルコニア（ＹＳＺ）を用い、第２のバッファ層４として、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）又はチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）を用いた構成とすることができる。
【００２０】
この構成の場合、例えば、Ｎ型半導体層６として、チタン酸ストロンチウムニオブ（Ｓｒ(Ｔｉ、Ｎｂ)Ｏ３）などのペロブスカイト構造の半導体酸化物を用い、Ｐ型半導体層７として、リチウム（Ｌｉ）がドープされた酸化ニッケル（Ｎｉ９０Ｌｉ１０Ｏ）又は酸化スズ（ＳｎＯ）を用い、絶縁層８ａ，８ｂとして、ＳｒＴｉＯ３又はＢａＴｉＯ３などのペロブスカイト構造の酸化物を好適に用いることができる。
【００２１】
この構成により、基板２の上に薄膜形成される半導体材料をエピタキシャル成長させることができ、熱電変換素子部５の熱電特性（発電量）を向上させることが可能である。また、高温環境にも耐性のある熱電変換素子部５を形成することが可能である。
【００２２】
さらに、第１のバッファ層３と熱電変換素子部５との間に、第２のバッファ層４として、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）又はチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）を設けた場合には、基板２の上に薄膜形成される半導体材料を（００ｋ）で表されるＣ軸配向にエピタキシャル成長させることが可能である。これにより、熱電変換素子部５の熱電特性（発電量）を更に向上させることが可能である。
【００２３】
また、本実施形態では、例えば、基板２として、Ｓｉ基板を用い、第１のバッファ層３として、ＳｉＯ２を用い、第２のバッファ層４として、比抵抗が１０Ω・ｃｍ以上となる高抵抗Ｓｉを用いた構成とすることができる。
【００２４】
この構成の場合、例えば、Ｎ型半導体層６として、高濃度（１０１８〜１０１９ｃｍ−３）のアンチモン（Ｓｂ）がそれぞれドープされたＮ型シリコン（Ｓｉ）膜とＮ型シリコン・ゲルマニウム（ＳｉＧｅ）合金膜との多層膜を用い、Ｐ型半導体層７として、例えば高濃度（１０１８〜１０１９ｃｍ−３）のボロン（Ｂ）がそれぞれドープされたＰ型シリコン(Ｓｉ)膜とＰ型シリコン・ゲルマニウム（ＳｉＧｅ）合金膜との多層膜を用い、絶縁層８ａ，８ｂとして、比抵抗が１０Ω・ｃｍ以上となる高抵抗シリコン（Ｓｉ）を好適に用いることができる。
【００２５】
この構成により、熱電変換素子部５の熱電特性（発電量）を更に向上させることが可能である。また、この構成の場合、基板２から第１のバッファ層３及び第２のバッファ層４までを、ＳＯＩ(Silicon On Insulator)基板を用いて形成することが可能である。
【００２６】
なお、Ｎ型半導体層６及びＰ型半導体層７は、ＳｉとＳｉＧｅとを含む構成の場合、上述した多層膜からなる構成に必ずしも限定されるものではなく、単層膜からなる構成であってもよい。また、熱電変換素子部５は、上述した基板２の面上に薄膜形成したものに限らず、バルクからなるものを用いて形成してもよい。
【００２７】
本実施形態の熱電変換装置１Ａは、熱電変換素子部５を厚み方向に貫通した状態で、基板２と熱的に接合された伝熱部１０を備えている。
【００２８】
伝熱部１０は、上述した第１のバッファ層３よりも熱伝導率が高いことが好ましく、第２のバッファ層４よりも熱伝導率が高いことが好ましい。具体的には、熱伝導率が１６０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の材料を用いて形成することが好ましい。そのような材料として、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）などの金属やシリコン（Ｓｉ）等を用いることができる。
【００２９】
伝熱部１０は、例えば図２（ａ）に示すような円柱状とし、平面視で略円環形状を有する熱電変換素子部５の内側中央部において熱電変換素子部５を貫通した状態で設けられた構成とすることができる。すなわち、この図２（ａ）に示す伝熱部１０は、平面視において、その周囲が熱電変換素子部５により囲まれた構成となっている。
【００３０】
一方、伝熱部１０は、例えば図２（ｂ）に示すような矩形平板状とし、平面視で略矩形状を有する熱電変換素子部５の中央部を分断した状態で設けられた構成とすることができる。すなわち、この図２（ｂ）に示す伝熱部１０は、平面視において、その両側が熱電変換素子部５により挟み込まれた構成となっている。
【００３１】
なお、図２（ａ）に示す伝熱部１０については、上述した円柱状などの中実形状に限らず、熱電変換素子部５を厚み方向に貫通する孔部の周囲を囲む円筒状などの中空形状とすることも可能である。
【００３２】
熱電変換素子部５は、図１に示すように、伝熱部１０と向かい合う側において、絶縁層８ａを挟んで隣り合うＮ型半導体層６とＰ型半導体層７との一端側を電気的に接続する温接点側電極１１ａと、伝熱部１０と向かい合う側とは反対側において、絶縁層８ｂを挟んで隣り合うＮ型半導体層６とＰ型半導体層７との他端側を電気的に接続する冷接点側電極１１ｂとを有している。
【００３３】
また、温接点側電極１１ａは、絶縁層８ａを挟んで隣り合うＮ型半導体層６とＰ型半導体層７との一端側において、Ｎ型半導体層６、絶縁層８ａ及びＰ型半導体層７の側端面に沿って設けられている。一方、冷接点側電極１１ｂは、絶縁層８ｂを挟んで隣り合うＮ型半導体層６とＰ型半導体層７との他端側において、Ｎ型半導体層６、絶縁層８ｂ及びＰ型半導体層７の側端面に沿って設けられている。
【００３４】
温接点側電極１１ａ及び冷接点側電極１１ｂの材料としては、金属を用いることが好ましい。その中でも特に、導電性及び熱伝導性が高く、且つ、形状加工がし易い、例えばアルミニウム（Ａｌ）や銅（Ｃｕ）、チタン（Ｔｉ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）などを好適に用いることができる。
【００３５】
本実施形態の熱電変換装置１Ａでは、熱電変換素子部５の厚み方向において、温接点側電極１１ａと冷接点側電極１１ｂとが交互にずれて（互い違いに）配置されている。これにより、絶縁層８ａ，８ｂを介して繰り返し積層されたＮ型半導体層６とＰ型半導体層７とが交互に直列に接続された構成となっている。
【００３６】
なお、本実施形態の熱電変換素子部５では、その構造上、基板２に最も近い側に位置する冷接点側電極１１ｂについては、第２のバッファ層４に隣接するＮ型半導体層６のみと電気的に接続された構成となっている。
【００３７】
本実施形態の熱電変換装置１Ａは、熱電変換素子部５を構成するＮ型半導体層６とＰ型半導体層７とのうち、基板２に最も近い側に位置する一方の半導体層（本実施形態ではＮ型半導体層６）と電気的に接続された一方の取出電極１２ａと、基板２から最も遠い側に位置する他方の半導体層（本実施形態ではＰ型半導体層７）と電気的に接続された他方の取出電極１２ｂとを備えている。
【００３８】
一方の取出電極１２ａは、熱電変換素子部５の伝熱部１０と向かい合う側の端部（以下、内側端面５ａという。）とは反対側の端部（以下、外側端面５ｂという。）よりも外側に位置して、上述した第２のバッファ層４に隣接する冷接点側電極１１ｂ及び外部に引き延ばされた配線１３ａを介してＮ型半導体層６と電気的に接続されている。
【００３９】
他方の取出電極１２ｂは、熱電変換素子部５の外側端面５ｂに沿った位置に、Ｐ型半導体層７の絶縁層８ａと対向する面とは反対側の面に接触した状態で設けられている。
【００４０】
熱電変換素子部５は、これら取出電極１２ａ，１２ｂの間で、温接点側電極１１ａ及び冷接点側電極１１ｂを介してＮ型半導体層６とＰ型半導体層７とが交互に直列に接続された構造となっている。
【００４１】
本実施形態の熱電変換装置１Ａでは、熱電変換素子部５の伝熱部１０と向かい合う側において、Ｎ型半導体層６、Ｐ型半導体層７及び温接点側電極１１ａと伝熱部１０とが絶縁層１４ａを介して電気的に絶縁された状態で、Ｎ型半導体層６及びＰ型半導体層７の一端側が伝熱部１０と熱的に接合されている。
【００４２】
絶縁層１４ａは、熱電変換素子部５の内側端面５ａに沿って配置されている。絶縁層１４ａは、Ｎ型半導体層６、Ｐ型半導体層７及び温接点側電極１１ａと伝熱部１０との間を電気的に絶縁し、なお且つ、熱伝導率が高い材料が用いられることが好ましい。そのような材料として、例えば酸化アルミニウム(Ａｌ２Ｏ３)や窒化アルミニウム(ＡｌＮ)などを用いることができる。絶縁層１４ａは、伝熱性の観点から、できるだけ薄く形成されることが好ましい。
【００４３】
なお、伝熱部１０は、それ自体が絶縁性を有する場合、上述した絶縁層１４ａを介さずに温接点側電極１１ａと直接接合された構成としてもよい。すなわち、伝熱部１０が絶縁性を有する場合は、絶縁層１４ａを省略した構成とすることも可能である。
【００４４】
以上のような構成を有する熱電変換装置１Ａでは、熱源Ｈを基板２の他面側に配置することによって、この熱源Ｈから基板２に伝わる熱が伝熱部１０から各Ｎ型半導体層６及びＰ型半導体層７の一端側（温接点側電極１１ａ側）へと伝わる。これにより、各Ｎ型半導体層６及びＰ型半導体層７の一端側が相対的に高温となる。
【００４５】
一方、各Ｎ型半導体層６及びＰ型半導体層７に伝わる熱は、他端側（冷接点側電極１１ｂ側）から外部に放熱されるため、各Ｎ型半導体層６及びＰ型半導体層７の他端側が相対的に低温となる。
【００４６】
したがって、各Ｎ型半導体層６及びＰ型半導体層７の一端側（温接点側電極１１ａ側）と他端側（冷接点側電極１１ｂ側）との間に温度差が発生する。これにより、各熱電変換材料層９の温接点側電極１１ａ側と冷接点側電極１１ｂ側との間に電荷（キャリア）の移動が起こる。
【００４７】
すなわち、温接点側電極１１ａと冷接点側電極１１ｂとの間には、ゼーベック効果による起電力（電圧）が発生する。したがって、各熱電変換材料層９を構成するＮ型半導体層６とＰ型半導体層７とのうち、Ｎ型半導体層６には、冷接点側電極１１ｂから温接点側電極１１ａに向けて電流が流れる。一方、Ｐ型半導体層７には、温接点側電極１１ａから冷接点側電極１１ｂに向けて電流が流れる。
【００４８】
したがって、熱電変換装置１Ａでは、一方の取出電極１２ａと他方の取出電極１２ｂとの間で、Ｎ型半導体層６に流れる電流の向きと、Ｐ型半導体層７に流れる電流の向きとが、Ｎ型半導体層６とＰ型半導体層７とが交互に直列に接続された方向に揃うことになる。
【００４９】
ここで、１つの熱電変換材料層９（Ｎ型半導体層６及びＰ型半導体層７）で発生する起電力は小さいものの、一方の取出電極１２ａと他方の取出電極１２ｂとの間には、複数の熱電変換材料層９が直列に接続されている。したがって、これら取出電極１２ａ，１２ｂの間からは、その総和の起電力として、比較的高い電力を取り出すことが可能である。
【００５０】
ところで、本実施形態の熱電変換装置１Ａでは、上述した基板２と熱的に接合された伝熱部１０が熱電変換素子部５を厚み方向に貫通した状態で設けられている。基板２は、基板面の面積が大きいため、熱源Ｈから多くの熱を伝熱部１０へと伝えることが可能である。
【００５１】
したがって、本実施形態の熱電変換装置１Ａでは、熱源Ｈから基板２に伝わる熱を伝熱部１０から各Ｎ型半導体層６及びＰ型半導体層７の一端側（温接点側電極１１ａ側）へと効率良く伝えることが可能である。
【００５２】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態として、例えば図３に示す熱電変換装置１Ｂについて説明する。なお、図３は、熱電変換装置１Ｂの概略構成を示す断面図である。また、以下の説明では、上記熱電変換装置１Ａと同等の部位については、説明を省略すると共に、図面において同じ符号を付すものとする。
【００５３】
本実施形態の熱電変換装置１Ｂは、図３に示すように、上記第１の実施形態の熱電変換装置１Ａが備える第１のバッファ層３の代わりに、空気層１５を備えた構成となっている。空気層１５は、基板２と第２のバッファ層４（熱電変換素子部５）との間に設けられた空隙からなる。空気層１５は、例えば、上記第１のバッファ層３を形成するＳｉＯ２（犠牲層）をウェットエッチング（又はドライエッチングを用いてもよい。）により除去することによって形成することができる。
【００５４】
この構成の場合、伝熱部１０は、空気層１５よりも熱伝導率が高いため、熱源Ｈから基板２に伝わる熱を伝熱部１０から各Ｎ型半導体層６及びＰ型半導体層７の一端側（温接点側電極１１ａ側）へと効率良く伝えることが可能である。また、空気層１５によって熱源Ｈから基板２に伝わる熱を熱電変換素子部５との間で遮断（断熱）することが可能である。
【００５５】
したがって、本実施形態の熱電変換装置１Ｂでは、各Ｎ型半導体層６及びＰ型半導体層７の一端側（温接点側電極１１ａ側）と他端側（冷接点側電極１１ｂ側）との間で大きな温度差（起電力）を発生させることができる。その結果、熱電変換装置１Ｂにおいて出力の向上を図ることが可能である。
【００５６】
なお、空気層１５については、上記第１のバッファ層３を形成するＳｉＯ２（犠牲層）の全てを除去することによって形成されたものに限らず、その一部を除去することによって形成されたものであってもよい。この場合、伝熱部１０の周囲にＳｉＯ２の一部が残存したとしても、伝熱部１０の伝熱特性に特に影響を及ぼすものではない。
【００５７】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態として、例えば図４に示す熱電変換装置１Ｃについて説明する。なお、図４は、熱電変換装置１Ｃの概略構成を示す断面図である。また、以下の説明では、上記熱電変換装置１Ａと同等の部位については、説明を省略すると共に、図面において同じ符号を付すものとする。
【００５８】
本実施形態の熱電変換装置１Ｃは、図４に示すように、上記熱電変換装置１Ａの構成に加えて、冷接点側電極１１ｂと熱的に接合された伝熱部材１６を備えた構成となっている。なお、本実施形態では、上記熱電変換装置１Ａの構成に伝熱部材１６を追加した場合を例示しているが、上記熱電変換装置１Ｂの構成に伝熱部材１６を追加した構成としてもよい。
【００５９】
伝熱部材１６は、熱電変換素子部５の伝熱部１０と向かい合う側とは反対側において、Ｎ型半導体層６、Ｐ型半導体層７、冷接点側電極１１ｂ、一方及び他方の取出電極１２ａ，１２ｂと絶縁層１４ｂを介して電気的に絶縁された状態で、各Ｎ型半導体層６及びＰ型半導体層７の他端側（冷接点側電極１１ｂ側）と熱的に接合されている。また、伝熱部材１６は、熱電変換素子部５の基板２側とは反対側の面において、他方の取出電極１２ｂと絶縁層１４ｂを介して電気的に絶縁された状態で設けられている。
【００６０】
絶縁層１４ｂは、熱電変換素子部５の外側端面５ｂ及び他方の取出電極１２ｂの伝熱部材１６と向かい合う面に沿って配置されている。絶縁層１４ｂは、Ｎ型半導体層６、Ｐ型半導体層７、冷接点側電極１１ｂ及び他方の取出電極１２ｂと伝熱部材１６との間を電気的に絶縁し、なお且つ、熱伝導率が高い材料が用いられることが好ましい。そのような材料として、例えば酸化アルミニウム(Ａｌ２Ｏ３)や窒化アルミニウム(ＡｌＮ)などを用いることができる。絶縁層１４ｂは、伝熱性の観点から、できるだけ薄く形成されることが好ましい。
【００６１】
伝熱部材１６は、空気よりも熱伝導率の高い材料、好ましくは基板２よりも熱伝導率の高い材料からなる。そのような伝熱部材１６の材料としては、金属を用いることが好ましく、その中でも特に、熱伝導率が高く、且つ、形状加工がし易い、例えばアルミニウム（Ａｌ）や銅（Ｃｕ）などを好適に用いることができる。なお、伝熱部材１６が絶縁性を有する場合は、上述した絶縁層１４ｂを省略した構成としてもよい。
【００６２】
一方の取出電極１２ａは、伝熱部材１６と電気的に絶縁された状態で、この伝熱部材１６の外部に引き延ばされた配線１３ａと電気的に接続されている。また、他方の取出電極１２ｂは、伝熱部材１６と電気的に絶縁された状態で、この伝熱部材１６の外部に引き延ばされた配線１３ｂを介して外部の取出電極１２ｃと電気的に接続されている。
【００６３】
この構成の場合、各Ｎ型半導体層６及びＰ型半導体層７に伝わる熱は、他端側（冷接点側電極１１ｂ側）から伝熱部材１６を介して外部に放熱されるため、各Ｎ型半導体層６及びＰ型半導体層７の他端側（冷接点側電極１１ｂ側）を効率良く冷却することが可能である。
【００６４】
したがって、本実施形態の熱電変換装置１Ｃでは、各Ｎ型半導体層６及びＰ型半導体層７の一端側（温接点側電極１１ａ側）と他端側（冷接点側電極１１ｂ側）との間で大きな温度差（起電力）を発生させることができる。その結果、熱電変換装置１Ｃにおいて出力の向上を図ることが可能である。
【００６５】
なお、伝熱部材１６については、上述した形状のものに限らず、放熱又は冷却に適した形状に適宜変更することが可能である。例えば、熱電変換素子部５を空冷するため、放熱フィン（ヒートシンク）を設けた構成としてもよい。また、熱電変換素子部５を水冷するために、伝熱部材１６の内部に冷却液を流通させる流路を設けた構成としてもよい。
【００６６】
（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態として、例えば図５に示す熱電変換装置１Ｄについて説明する。なお、図５は、熱電変換装置１Ｄの概略構成を示す断面図である。また、以下の説明では、上記熱電変換装置１Ａと同等の部位については、説明を省略すると共に、図面において同じ符号を付すものとする。
【００６７】
本実施形態の熱電変換装置１Ｄは、図５に示すように、上記熱電変換装置１Ａの構成に加えて、ｐ型半導体層２１とｎ型半導体層２２とを含む光電変換素子部２０を備えた構成となっている。すなわち、この熱電変換装置１Ｄは、太陽電池を構成する光電変換素子部２０と、上述した熱電変換素子部５とが組み合わされたハイブリッド構造を有している。なお、本実施形態では、上記熱電変換装置１Ａの構成に光電変換素子部２０を追加した場合を例示しているが、上記熱電変換装置１Ｂの構成に光電変換素子部２０を追加した構成としてもよい。
【００６８】
光電変換素子部２０は、ｐ型半導体層２１とｎ型半導体層２２との間に真性半導体層２３を含むことによって、ｐ型半導体層２１と真性半導体層２３とｎ型半導体層２２とが積層されたｐｉｎ接合構造を有している。また、基板２は、ｐ型半導体層２１とｎ型半導体層２２との何れか一方の半導体層（本実施形態ではｐ型半導体層２１）を含むことによって、光電変換素子部２０の一部を構成している。
【００６９】
ｐ型半導体層２１としては、例えば、硼素（Ｂ）やアルミニウム（Ａｌ）がドープされたシリコン（Ｓｉ）を用いることができる。ｎ型半導体層２２としては、例えば、窒素（Ｎ）やリン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）がドープされたシリコン（Ｓｉ）を用いることができる。真性半導体層２３としては、比抵抗が１０Ω・ｃｍ以上となる高純度Ｓｉを用いることができる。なお、光電変換素子部２０については、真性半導体層２３を省略し、ｐ型半導体層２１とｎ型半導体層２２とが接合されたｐｎ接合構造としてもよい。
【００７０】
熱電変換装置１Ｄは、光電変換素子部２０を構成するｐ型半導体層２１とｎ型半導体層２２とのうち、何れか一方の半導体層（本実施形態ではｐ型半導体層２１）と電気的に接続された下部電極２４と、何れか他方の半導体層（本実施形態ではｎ型半導体層２２）と電気的に接続された上部電極２５とを有している。
【００７１】
下部電極２４は、第１のバッファ層３（又は空気層１５）と第２のバッファ層４の間に配置されて、接続電極２６を介して基板２（ｐ型半導体層２１）と電気的に接続されている。なお、下部電極２４としては、例えば、アルミニウム（Ａｌ）や銀（Ａｇ）などの導電材料を用いることができる。
【００７２】
接続電極２６は、基板１と熱電変換素子部５との間に位置して、伝熱部１０と向かい合う側において、絶縁層１４ａを介して伝熱部１０とは電気的に絶縁された状態で、第１のバッファ層３（又は空気層１５）を挟んで隣り合う基板２（ｐ型半導体層２１）と下部電極２４の一端側とを電気的に接続している。なお、接続電極２６の材料としては、上記温接点側電極１１ａ及び冷接点側電極１１ｂと同じものを用いることができる。
【００７３】
上部電極２５は、ｎ型半導体層２２の面上に配置されることによって、このｎ型半導体層２２と電気的に接続されている。なお、上部電極２５としては、例えば、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）などの透明導電材料を用いることができる。
【００７４】
本実施形態の熱電変換装置１Ｄは、下部電極２４と電気的に接続された一方の取出電極２７ａと、上部電極２５と電気的に接続された他方の取出電極２７ｂとを備えている。一方の取出電極２７ａは、外部に引き延ばされた配線１３ｃを介して下部電極２４の他端側と電気的に接続されている。他方の取出電極２７ｂは、外部に引き延ばされた配線１３ｄを介して上部電極２５の端部と電気的に接続されている。
【００７５】
この構成の場合、外部の光源（例えば太陽）Ｌからの光が光電変換素子部２０に照射されることによって、下部電極２４と上部電極２５との間に、光起電力効果による起電力（電圧）が発生する。これにより、光エネルギーを電力に変換して取り出すことが可能である。また、この構成の場合、太陽を熱電変換素子部５の熱源Ｈとして利用することができる。
【００７６】
したがって、本実施形態の熱電変換装置１Ｄでは、上記熱電変換装置１Ａ，１Ｂに、太陽電池となる光電変換素子部２０を組み合わせたハイブリッド構造とすることによって、熱源Ｈからの熱や光源Ｌからの光を利用して、電力を更に効率良く取り出すことが可能である。
【００７７】
なお、本発明は、上記実施形態のものに必ずしも限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
具体的に、上記図１，３に示す熱電変換装置１Ａ，１Ｂでは、熱電変換素子部５の伝熱部１０と向かい合う側とは反対側において、絶縁層８ａの側端面よりも内側に冷接点側電極１１ｂが配置された構成となっているが、例えば図６に示す熱電変換装置１Ａのように、絶縁層８ａの側端面よりも外側に配置された冷接点側電極１１ｂによって、絶縁層８ｂを挟んで隣り合うＮ型半導体層６とＰ型半導体層７との他端側が電気的に接続された構成とすることも可能である。
【００７８】
すなわち、上記図１，３に示す熱電変換装置１Ａ，１Ｂでは、熱電変換素子部５の伝熱部１０と向かい合う側とは反対側において、冷接点側電極１１ｂの側端面が絶縁層８ａの側端面と面一となる構成となっているが、冷接点側電極１１ｂについては、絶縁層８ａの側端面と面一となるＮ型半導体層６、絶縁層８ｂ及びＰ型半導体層７の側端面に接触した状態で、絶縁層８ａの側端面よりも外側に突出して設けられた構成とすることも可能である。なお、図６では、上記図１に示す熱電変換装置１Ａの変形例を例示しているが、上記図３に示す熱電変換装置１Ｂについても同様の変更を行うことが可能である。
【００７９】
また、上記熱電変換装置１Ａ，１Ｂでは、絶縁層８ａ，８ｂを挟んで隣り合うＮ型半導体層６とＰ型半導体層７との一端側及び他端側において、Ｎ型半導体層６、絶縁層８ａ，８ｂ及びＰ型半導体層７の側端面に沿って温接点側電極１１ａ及び冷接点側電極１１ｂが設けられた構成となっているが、このような構成に限らず、例えば図７に示す熱電変換装置１Ａのように、Ｎ型半導体層６とＰ型半導体層７との間で絶縁層８ａ，８ｂの側端面に沿って設けられた温接点側電極１１ａ及び冷接点側電極１１ｂによって、絶縁層８ａ，８ｂを挟んで隣り合うＮ型半導体層６とＰ型半導体層７との一端側及び他端側を電気的に接続した構成としてもよい。なお、図７では、上記図１に示す熱電変換装置１Ａの変形例を例示しているが、上記図３に示す熱電変換装置１Ｂについても同様の変更を行うことが可能である。
【００８０】
また、熱電変換素子部５から電力を取り出すための取出電極との電気的な接続についても、上述した取出電極１２ａ，１２ｂ，１２ｃ及び配線１３ａ，１３ｂを備えた構成に限定されるものではなく、適宜変更を加えることが可能である。
【００８１】
また、上記熱電変換装置１Ａ，１Ｂでは、基板２の上に１つの熱電変換素子部５が設けられた構成となっているが、基板２の一面側に複数の熱電変換素子部５を並べて配置した構成とすることも可能である。
【００８２】
この構成の場合、上述した第１及び第２のバッファ層３，４が設けられた基板２の上に、熱電変換素子部５を構成する半導体材料を薄膜形成した後に、面内で隣り合う熱電変換素子部５の間を分断（例えばエッチングにより除去）することで、基板２の上に複数の熱電変換素子部５を一括して形成することが可能である。
【００８３】
さらに、基板２の上に複数の熱電変換素子部５を形成した後、この基板２を熱電変換素子部５毎に切断することで、複数の熱電変換装置１Ａ，１Ｂを一括して安価に製造することも可能である。
【符号の説明】
【００８４】
１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ…熱電変換装置  ２…基板（基材）  ３…第１のバッファ層  ４…第２のバッファ層  ５…熱電変換素子部  ６…Ｎ型半導体層  ７…Ｐ型半導体層  ８ａ，８ｂ…絶縁層  ９…熱電変換材料層  １０…伝熱部  １１ａ…温接点側電極  １１ｂ…冷接点側電極  １２ａ…一方の取出電極  １２ｂ…他方の取出電極  １３ａ，１３ｂ…配線  １４ａ，１４ｂ…絶縁層  １５…空気層  １６…伝熱部材  ２０…光電変換素子部  ２１…ｐ型半導体層（一方の半導体層）  ２２…ｎ型半導体層  ２３…真性半導体層  ２４…下部電極  ２５…上部電極  ２６…接続電極  ２７ａ…一方の取出電極  ２７ｂ…他方の取出電極  Ｈ…熱源  Ｌ…光源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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