環境低負荷半導体材料による排熱・光-電気エネルギー変換素子の開発

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本研究では、省エネルギー(排熱リサイクル、太陽光発電)、環境低負荷を視野に入れた熱電変換材料Mg_2Si、 Mg_2Si_xGe_<1-x>及び高効率太陽光発電材料Si_xGe_<1-x>を対象としている。そこで本年度は、p・n形バルクMg_2Si、 Mg_2Si_xGe_<1-x>の熱電特性の向上及びモジュール化に向けた基礎技術の蓄積、また、均一組成Si_xGe_<1-x>の製造プロセスの条件抽出とその物性評価を行った。結果として以下の知見が得られた。(1)Biのドーピング条件、育成条件を最適化することによりn形バルクMg_2Si結晶において無次元性能指数ZT=1.08(at 861K)を達成した。(2)p形バルクMg_2Si_<1-x>Ge_x焼結体の作製において、Ge組成の低いp形Mg_2Si_<1-x>Ge_x(x=0.1〜0.4)の作製が可能となり、また、Mg_2Siにおいてn形の伝導に寄与する不純物の量を低減することにより、p形Mg_2Si焼結体が再現性良く作製可能となった。(3)モジュール化に要求される電極の選定とその作製条件の抽出を行った。電極を形成したn形Mg_2Siにおいて1素子当たり起電力約40mV(ΔT=500K)が得られた。(4)フルポテンシャル第一原理計算コードABCAP(All electron Band CAlculation Package)を用いて熱電特性(ゼーベック係数)を算出した。計算結果は実測値と比較され、実測値と良く一致した。(5)垂直ブリッジマン法を用いた整形結晶化法により、組成の均一なSi_xGe_<1-x>結晶を作製した。作製されたSi_xGe_<1-x>結晶にPN接合を形成し光電流評価を行った。また、フルポテンシャル第一原理計算コードABCAPによりSi_xGe_<1-x>のバンド構造の計算を行った。これらの知見は、上記素材の実用化へ向けた取り組みにおいて重要な位置づけとなると見込まれる。