マグネシウムシリサイドを用いた中高温型熱電材料とモジュールの高性能化に関する研究

采用硅化镁的高性能热电材料及模块研究

• 批准号: 14J05804
• 负责人: 新井 皓也
• 金额: $ 0.77万
• 依托单位: Tokyo University of Science
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2014
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2014-04-25 至 2015-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-14J05804/
• 关键词: 熱電発電; 低環境負荷発電

〈熱電性能指数〉は〈ゼーベック係数〉2乗×〈電気伝導率〉÷〈熱伝導率〉で表されるが、いずれの項もキャリア濃度に依存している。したがって、熱電変換材料のキャリア濃度の制御を行った上で〈熱伝導率〉に含まれるキャリアに依存しない〈格子熱伝導率〉を抑制することが熱電性能の高性能化の指針となる。以上より、本研究では、環境低負荷熱電変換材料であるマグネシウムシリサイド(Mg2Si)の熱電性能の向上のために、以下の内容の研究を実施した。①　ドーパントとSiの合金を原料とし、放電プラズマ焼結法を用いてMg2Siを合成することで、ドーパントを均一化し、酸化を抑制したMg2Si試料を作製する②　SbおよびGe添加によるキャリア濃度や格子定数の測定から、4bサイト格子間Mgへの影響や正確な固溶限を調査し、熱電特性を評価する③　Sb添加Mg2SiにさらにGeを添加することで格子熱伝導率を減少させ、熱電性能を向上させるMg2Siへの添加不純物として、Siサイトへドナーとして固溶されることでキャリア制御が可能であり、Siとの質量差から格子伝導率の減少が可能なSbと、キャリアを生成せずSiサイトへ全率固溶が可能であり、格子熱伝導率を抑制可能なGeに着目した。Siとドーパントの合金を用いたMg2SiのSPS内合成により、Sbの固溶限以下の範囲でSb濃度を制御することでキャリア濃度を制御可能とし、Geの添加によりSbの固溶限を増加させることが可能であることを明らかとした。また、SbおよびGe添加Mg2Siの電気伝導率とゼーベック係数は、Sb濃度に伴うキャリア濃度に依存することが明らかとなった。さらにMg2SiへGe添加することで、電気伝導率およびゼーベック係数へほぼ影響を与えず、格子熱伝導率の減少させることで無次元性能指数ZTの向上に有効的である知見を得た。

<thermoelectric performance index><coefficient> 2 × <electrical conductivity><thermal conductivity><coefficient><coefficient> The control of thermal conductivity of thermoelectric conversion materials depends on the control of thermal conductivity of thermoelectric conversion materials, and the control of thermal conductivity of thermoelectric conversion materials leads to high performance of thermoelectric properties. In this study, the thermoelectric properties of Mg2Si (Mg2Si) with low load were studied. (1) Mg2Si alloy raw material, sintering method, Mg2Si sample synthesis, homogenization, acidification inhibition, Mg2Si sample preparation, Sb and Ge addition, determination of lattice concentration, investigation of the effect of Mg on the correct solid solubility limit, Evaluation of thermoelectric properties ③ Sb addition Mg2Si addition Ge addition decrease lattice thermal conductivity, thermoelectric properties increase Mg2Si addition impurity Si addition solid solution increase Si mass difference decrease lattice thermal conductivity increase Sb addition Si addition solid solution increase Si addition solid solution increase Si addition solid solution Lattice thermal conductivity is suppressed by Ge radiation. Si and Ge alloys are used in the synthesis of Mg2Si in SPS. The range below the solid solubility limit of Sb is controlled. The concentration of Sb is controlled. The solid solubility limit of Sb is increased. The conductivity of Mg2Si doped with Sb and Ge depends on Sb concentration. In addition, Mg2SiGe addition has a negative effect on electrical conductivity and lattice thermal conductivity, and a negative effect on dimensional performance index ZT.

项目成果

Synthesis and characterization of Sb doped Mg2Si by spark plasma sintering method

放电等离子烧结法合成Sb掺杂Mg2Si并表征

• 发表时间: 2014
• 作者: K. Arai;A. Sasaki;Y. Kimori;T. Iida and K. Nishio
• 通讯作者: T. Iida and K. Nishio

Thermoelectric properties and synthesis of Mg2Si0.95-xGe0.05Sbx by spark plasma sintering

Mg2Si0.95-xGe0.05Sbx的热电性能及放电等离子烧结合成

• 发表时间: 2014
• 作者: A. Sasaki;K. Arai;Y. Kimori;T. Nakamura;K. Fujimoto;Y. Yamaguchi;R. Tamura;T. Iida and K. Nishio
• 通讯作者: T. Iida and K. Nishio

Mg2Siを用いた熱電発電モジュールの開発

使用Mg2Si开发热电发电模块

• 发表时间: 2014
• 作者: 新井皓也;井藤駿 ,永井健真;三上那津子;飯田努;西尾圭史
• 通讯作者: 西尾圭史

Investigation of Mg2Si formation from Si and Mg by ushing spark plasma sintering synthesis

通过喷射放电等离子烧结合成硅和镁形成 Mg2Si 的研究

• 发表时间: 2014
• 作者: K. Sunohara;K. Arai;T. Nakamura;K. Fujimoto;Y. Yamaguchi;T. Iida and K. Nishio
• 通讯作者: T. Iida and K. Nishio

Thermoelectric properties of Sb-doped Mg2(Si0.95Ge0.05) synthesized by spark plasma sintering

• DOI: 10.1016/j.mseb.2015.01.008
• 发表时间: 2015-05-01
• 期刊: MATERIALS SCIENCE AND ENGINEERING B-ADVANCED FUNCTIONAL SOLID-STATE MATERIALS
• 影响因子: 3.6
• 作者: Arai, Koya;Sasaki, Asumi;Nishio, Keishi
• 通讯作者: Nishio, Keishi