(57)【要約】【課題】微細化して高出力を得ることができる熱電発電装置を提供する。【解決手段】基板１２と、前記基板１２の表面上の熱電変換素子１４と、前記熱電変換素子１４と熱的に接続された熱伝導部１６とを備え、前記熱電変換素子１４は、少なくとも一対のＰ型熱電変換部１８とＮ型熱電変換部２０を有し、前記熱伝導部１６は、前記Ｐ型熱電変換部１８と前記Ｎ型熱電変換部２０の前記基板１２表面に平行な方向の一端２４，２２側と、熱的に接続されていることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板の表面上の熱電変換素子と、
前記熱電変換素子と熱的に接続された熱伝導部と
を備え、
前記熱電変換素子は、少なくとも一対のＰ型熱電変換部とＮ型熱電変換部を有し、
前記熱伝導部は、前記Ｐ型熱電変換部と前記Ｎ型熱電変換部の前記基板表面に平行な方向の一端側と、熱的に接続されている
ことを特徴とする熱電発電装置。
【請求項２】
前記Ｐ型熱電変換部と前記Ｎ型熱電変換部は、前記基板表面に平行な方向の一端と他端の間に温度勾配が生じることを特徴とする請求項１記載の熱電発電装置。
【請求項３】
前記熱電変換素子は、Ｓｉ及びＧｅの少なくとも１種を含有することを特徴とする請求項１又は２記載の熱電発電装置。
【請求項４】
前記熱電変換素子は、前記基板の面方向長さが２００ｎｍ以下のナノワイヤであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項記載の熱電発電装置。
【請求項５】
前記基板が、ＳｉＯ２の表面層を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項記載の熱電発電装置。
【請求項６】
前記Ｐ型熱電変換部と前記Ｎ型熱電変換部の間に挟まれた電気伝導部を備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項記載の熱電発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、熱電発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
熱電発電装置は、環境の温度差から電気エネルギーを作り出すもので、再生可能エネルギーを利用するデバイスである。熱電発電装置は、熱電変換素子中に大きな温度勾配を形成することにより、出力を大きくすることができる。温度勾配を形成するには、熱電変換素子以外の寄生熱抵抗を相対的に小さくするため、熱電変換素子の長さを長くすることが有利であると考えられていた。
【０００３】
熱電発電装置として、例えば特許文献１が開示されている。上記特許文献１の熱電発電装置は、複数の熱電変換素子と、熱電変換素子の上下端に接続された電気配線基板とを備え、上端の電気配線基板が加熱され、下端の電気配線基板が冷却されている。特許文献１の熱電変換素子は、高さ方向において温度勾配が生じる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１６−９７７９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図７に、従来の熱電発電装置１００におけるスケーリング則を求めた結果を示す。熱電発電装置１００は、高さ方向の長さが長いＰ型熱電変換部１０８及びＮ型熱電変換部１１０を備える。Ｐ型熱電変換部１０８及びＮ型熱電変換部１１０は、下端が電極１０６、上端が電極１１２に電気的に接続されている。Ｐ型熱電変換部１０８及びＮ型熱電変換部１１０の幅をそれぞれＬ、高さをＨとすると、寄生熱抵抗が無視できる場合の最大出力Ｐは、Ｐ＝（Ｓ２ＨσΔＴ２）／（３２Ｈ２）である。ここでＳおよびσはそれぞれ、熱電変換部のゼーベック係数および電気伝導率を表す。ΔＴは熱電変換部の両端の温度差である。したがって従来の熱電発電装置１００の場合、幅Ｌを小さくしても高出力化することができない。すなわち従来の熱電発電装置１００は、微細化しても高出力を得ることができないという問題があった。
【０００６】
本発明は、微細化して高出力を得ることができる熱電発電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】
【０００７】
本発明に係る熱電発電装置は、基板と、前記基板の表面上の熱電変換素子と、前記熱電変換素子と熱的に接続された熱伝導部とを備え、前記熱電変換素子は、少なくとも一対のＰ型熱電変換部とＮ型熱電変換部を有し、前記熱伝導部は、前記Ｐ型熱電変換部と前記Ｎ型熱電変換部の前記基板表面に平行な方向の一端側と、熱的に接続されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、熱電変換素子の長さ及び幅を最小化し、微細化することにより高出力化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施形態に係る熱電発電装置の使用状態を示す正面図である。
【図２】本実施形態に係る熱電発電装置の構成を示す平面図である。
【図３】本実施形態に係る熱電発電装置の製造方法を段階的に示す縦断面図であり、図３Ａは絶縁層上にｎ型ドープをした段階、図３Ｂは選択的にｐ型ドープをした段階、図３Ｃは酸化膜上にパターンを形成した段階、図３Ｄは金属膜を形成した段階、図３Ｅは金属膜及びパターンを除去した段階、図３Ｆは熱伝導部を形成した段階である。
【図４】図４Ａはシミュレーションの結果、図４Ｂは図４Ａの温度分布を等高線で表した結果を示す図である。
【図５】熱電変換素子の位置と温度の関係を示すグラフである。
【図６】本実施形態に係る熱電発電装置におけるスケーリング則の説明に供する斜視図である。
【図７】従来の熱電発電装置におけるスケーリング則の説明に供する斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。図１に示す熱電発電装置１０は、基板１２と、前記基板１２の表面上の熱電変換素子１４と、前記熱電変換素子１４と熱的に接続された熱伝導部１６とを備える。熱電発電装置１０は、熱伝導部１６を通じて、熱源と熱的に接続されている。
【００１１】
基板１２は、表面に絶縁層としてのＳｉＯ２層１７を有する。基板１２は、Ｓｉ基板を用いることができる。基板１２にダイヤモンド基板を用いることもでき、この場合は絶縁層１７が不要となる。本実施形態の場合、基板１２は、Ｓｉ層１５と、当該Ｓｉ層１５上にＳｉＯ２層１７を有する。
【００１２】
熱電変換素子１４は、一対のＰ型熱電変換部１８とＮ型熱電変換部２０を１個以上（本図の場合２個）有する。Ｐ型熱電変換部１８とＮ型熱電変換部２０の材料は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＧｅ、ＣｒＳｉ２、ＦｅＳｉ２、ＭｎＳｉ、Ｍｇ２Ｓｉ、Ｍｇ２Ｇｅ、ＣｏＳｂ３、ＡｇＳｂＴｅ２、ＳｎＴｅ、ＰｂＴｅ、ＢｉＳｅ３、Ｓｂ２Ｔｅ３、Ｂｉ２Ｔｅ３から選択される。微細加工を施すには、Ｐ型熱電変換部１８とＮ型熱電変換部２０の材料は、Ｓｉ、Ｇｅ又はＳｉＧｅが好ましい。熱電変換部にＳｉを用いる場合、Ｐ型ドーパントとしてはＢ、Ａｌ、Ｇａ、Ｎ型ドーパントとしてはＰ、Ａｓ、Ｓｂである。
【００１３】
Ｐ型熱電変換部１８とＮ型熱電変換部２０は、基板１２表面に平行な方向の一端から他端までの長さＬが５００ｎｍあれば、十分な温度勾配が得られる。Ｐ型熱電変換部１８とＮ型熱電変換部２０の長さＬは、２００ｎｍ以下であるのがより好ましい。Ｐ型熱電変換部１８とＮ型熱電変換部２０の長さＬの下限は、特に限定されないが、加工性の観点から本特許出願の時点においては１０ｎｍ程度である。Ｐ型熱電変換部１８とＮ型熱電変換部２０の高さＨは、長さＬ以上であるのが好ましい。
【００１４】
熱電変換素子１４は、Ｐ型熱電変換部１８とＮ型熱電変換部２０の間に、電気伝導部２６を有する。電気伝導部２６の材料は、ＮｉＳｉ、ＮｉＳｉ２、ＣｏＳｉ、ＴｉＳｉ２、ＥｒＳｉから選択される。
【００１５】
本実施形態の場合、熱電変換素子１４は、電気伝導部２６を間に挟んでＰ型熱電変換部１８とＮ型熱電変換部２０が二組と、当該二組のＰ型熱電変換部１８とＮ型熱電変換部２０の間に挟まれた電気伝導部２６と、基板１２の両側に配置された電極３２，３４とを有する。電極３２は隣接するＮ型熱電変換部２０に、電極３４は隣接するＰ型熱電変換部１８に、それぞれ電気的に接続されている。
【００１６】
熱伝導部１６の材料は、熱伝導性を有すると共に絶縁性の材料、例えば、ＡｌＮ、ＢＮ、ＢｅＯ、Ｓｉ２Ｎ３から選択される。熱伝導部１６は、熱電変換素子１４と、電気伝導部２６、電極３２，３４からなる熱電変換素子１４上に、複数（本図の場合３個）設けられている。本実施形態の場合、熱伝導部１６同士の間の空間３０は熱電発電装置１０の周囲と同じ大気などの気体が存在する。
【００１７】
中央の熱伝導部１６Ａは、中央の電気伝導部２６Ａ上に配置されている。熱伝導部１６Ａの長さ方向の一端は、電気伝導部２６Ａの一側に配置されたＰ型熱電変換部１８Ａの一端２４と、他側に配置されたＮ型熱電変換部２０Ａの一端２２にそれぞれ熱的に接続されている。Ｐ型熱電変換部１８Ａの一端２４とＮ型熱電変換部２０Ａの一端２２の間には、電気伝導部２６Ａが配置されている。
【００１８】
基板１２表面の一側（図中左側）の熱伝導部１６Ｂは、電極３２上に配置されている。熱伝導部１６Ｂの長さ方向の一端は、電極３２に電気的に接続されたＮ型熱電変換部２０の一端２２と熱的に接続されている。
【００１９】
基板１２表面の他側（図中右側）の熱伝導部１６Ｃは、電極３４上に配置されている。熱伝導部１６Ｃの長さ方向の一端は、電極３４に電気的に接続されたＰ型熱電変換部１８の一端２４と熱的に接続されている。
【００２０】
上記のように熱伝導部１６は、前記基板１２表面に平行な方向の、前記Ｐ型熱電変換部１８の一端２４と、前記Ｎ型熱電変換部２０の一端２２に熱的に接続されている。Ｐ型熱電変換部１８Ａの他端２５とＮ型熱電変換部２０Ｂの他端２３の間には、電気伝導部２６Ｂが配置されている。Ｐ型熱電変換部１８Ｂの他端２５とＮ型熱電変換部２０Ａの他端２３の間には、電気伝導部２６Ｃが配置されている。
【００２１】
Ｐ型熱電変換部１８は、熱伝導部１６と熱的に接続された一端２４が高温部、他端２５が低温部となる。Ｎ型熱電変換部２０は、熱伝導部１６と熱的に接続された一端２２が高温部、他端２３が低温部となる。Ｐ型熱電変換部１８及びＮ型熱電変換部２０は、高温部と低温部の間に温度勾配が生じる。
【００２２】
熱伝導部１６の他端は、熱浴２８と熱的に接続される。熱浴２８は、例えば、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、ＢＮ、ダイヤモンドとすることができる。
【００２３】
図２に示すように、熱電変換素子１４は、幅Ｄが上記長さＬと同じであってもよい。熱電変換素子は、電極３２から電極３４へ直線状に延びるナノワイヤ形状を有し、複数（本図の場合、８個）が並列に配置され、電極３２，３４に接続されている。
【００２４】
次に、上記熱電発電装置１０の製造方法について、図３を参照して説明する。まず絶縁層としてのＳｉＯ２層１７上のＳｉ層にＮ型ドーピングをし、Ｎ型熱電変換層（ｎ−Ｓｉ層）４０を形成する（図３Ａ）。次いでホトレジストマスク４４を選択的に形成した後、ホトレジストマスクの開口部のＮ型熱電変換層にＰ型ドーピングをし、Ｐ型熱電変換部（ｐ−Ｓｉ部）１８を形成する（図３Ｂ）。
【００２５】
その後、有機溶媒を用いてホトレジストマスク４４を除去する。次いで、化学蒸着（ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition）法を用いて、酸化膜４６を形成する。当該酸化膜４６上にホトレジストマスク４８を選択的に形成する（図３Ｃ）。
【００２６】
ホトレジストマスク４８の開口部の酸化膜をエッチングにより除去し、酸化物マスク４７を形成する。その後、有機溶媒を用いてホトレジストマスクを除去する。次いで、スパッタリング法を用いて、金属膜として例えばＮｉ膜５０を形成する（図３Ｄ）。その後、４００〜６００℃の条件でアニール処理をする。アニール処理により、酸化膜物マスク４７で覆われていないＮ型熱伝導変換層（ｎ−Ｓｉ層１５）４０の一部が合金（ＮｉＳｉ）化する。アニール処理後、化学機械研磨（ＣＭＰ：Chemical Mechanical Polishing)により、金属膜、酸化物マスクを除去すると共に平坦化する（図３Ｅ）。このようにして基板１２上に熱電変換素子１４が形成される。
【００２７】
次いで、ホトレジストマスクを選択的に形成した後、熱伝導材料層としてのＡｌＮ層を形成する。有機溶媒を用いて上記ホトレジストマスクを除去することにより、ホトレジストマスクの上に形成された熱伝導材料層もリフトオフにより除去され、熱電変換素子１４上に熱伝導部１６が形成される（図３Ｆ）。上記のようにして、熱電発電装置１０を製造することができる。
【００２８】
本実施形態の熱電発電装置１０は、熱伝導部１６の他端を熱浴２８と熱的に接続して用いられる。熱浴２８の熱は、熱伝導部１６の他端から一端へと伝わり、Ｐ型熱電変換部１８の一端２４側と、Ｎ型熱電変換部２０の一端２２側を加熱する。
【００２９】
Ｐ型熱電変換部１８は、一端２４のみが熱伝導部１６と熱的に接続されているので、一端２４と他端２５の間に温度差が生じる。すなわちＰ型熱電変換部１８は、一端２４から他端２５に向かって温度が低下していく温度勾配が生じる。Ｎ型熱電変換部２０は、一端２２のみが熱伝導部１６と熱的に接続されているので、一端２２と他端２３の間に温度差が生じる。すなわちＮ型熱電変換部２０は、一端２２から他端２３に向かって温度が低下していく温度勾配が生じる。この温度勾配により、Ｐ型熱電変換部１８中の正孔は、一端２４から他端２５へ移動し、Ｎ型熱電変換部２０中の電子は、一端２２から他端２３へ移動する。このようにしてＰ型熱電変換部１８の正孔と、Ｎ型熱電変換部２０の電子が、電気伝導部２６を通じて再結合することにより、電圧が生じる。この電圧は、両端の電極３２，３４より、外部へ出力される。
【００３０】
本実施形態の熱電発電装置１０は、熱電変換素子１４における基板１２表面に平行な方向の数１００ｎｍの領域に、熱伝導部１６から伝導された熱によって生じる温度勾配を利用している。
【００３１】
図４Ａ，図４Ｂに示す図は、本実施形態の熱電発電装置１０に類似する熱電発電装置において、温度変化をシミュレーションした結果を示す。本図における熱電発電装置は、ＳｉＯ２層５４上に複数のワイヤ状の熱変換素子５６と、熱変換素子５６上に熱伝導部５２とを有する。熱電変換素子５６の材料はＳｉとし、熱伝導部５２の材料はＡｌＮとした。本図において温度は、白色が最も高く、色が濃くなるにしたがって低くなること示している。熱伝導部５２の温度が最も高く、熱伝導部１６の周囲に向かって温度が徐々に低下していることが確認された。
【００３２】
図４，図４Ｂの結果から、熱電変換素子５６における熱伝導部５２からの距離と、温度との関係を、熱電変換素子１４の長さ別に調べた結果を図５に示す。図５は、横軸が熱電変換素子の位置（μｍ）、縦軸が温度（Ｋ）を示す。熱電変換素子５６の長さは、１０，５０，１００，５００ｎｍとした。
【００３３】
本図から、熱電変換素子５６の長さが５００ｎｍの場合でも、５０Ｋ程度の温度勾配が生じていること、長さが短くなるほど、特に２００ｎｍ以下において、急峻な温度勾配が得られることが確認された。
【００３４】
図６に本実施形態に係る熱電発電装置１０におけるスケーリング則を求めた結果を示す。熱電変換素子１４の長さ及び幅をＬ、高さをＨとすると、出力Ｐは、Ｐ＝（Ｓ２ＨσΔＴ２）／（３２Ｌ２）である。すなわち、本実施形態の熱電発電装置１０の場合、熱電変換素子１４の長さ及び幅Ｌを最小化し、微細化することにより高出力化を図ることができる。
【００３５】
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で適宜変更することが可能である。
【００３６】
例えば、上記実施形態の場合、Ｐ型熱電変換部１８とＮ型熱電変換部２０の間には、電気伝導部２６が設けられている場合について説明したが、本発明はこれに限らず、電気伝導部２６を省略してもよい。
【００３７】
熱電変換素子１４は、電気伝導部２６を間に挟んでＰ型熱電変換部１８とＮ型変換素子を二組有する場合について説明したが、本発明はこれに限らず、一組又は三組以上としてもよい。
【００３８】
熱電発電装置１０は、８個の熱電変換素子１４を備える場合について説明したが、本発明はこれに限らず、７個以下又は９個以上でもよい。
【００３９】
熱伝導部１６同士の間の空間３０は熱電発電装置１０の周囲と同じ大気などの気体が存在する場合について説明したが、本発明はこれに限らず、熱伝導性が低く、絶縁性の材料、例えばペリレン系やエポキシ系の樹脂、多孔質シリカで空間３０を充填してもよい。空間３０を真空にしてもよい。空間３０の内部に非蒸発型ゲッター材料を配置し、空間３０内の活性ガスを非蒸発型ゲッター材料に吸着することにより、空間３０を真空にすることができる。非蒸発型ゲッター材料は、Ｔｉ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｔａ、Ｖ、Ｈｆおよびこれらの混合部から選択される。
【００４０】
熱電発電装置１０は、基板１２に対して熱浴２８を低温にしても動作する。この場合、電極３２と３４に生じる起電力の極性が反転する。
【００４１】
熱電発電装置１０はペルチェ冷却器としても動作する。電極３２と３４の間に電流を流すことにより、熱浴２８と基板１２の間で温度差を設けることができる。
【符号の説明】
【００４２】
１０  熱電発電装置
１２  基板
１４  熱電変換素子
１５  Ｓｉ層
１６  熱伝導部
１６Ａ、１６Ｂ、１６Ｃ  熱伝導部
１６Ｂ  熱伝導部
１６Ｃ  熱伝導部
１７  ＳｉＯ２層
１８  Ｐ型熱電変換部
２０  Ｎ型熱電変換部
２２  一端
２４  一端
２６  電気伝導部
２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃ  電気伝導部
【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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