無毒で豊富な元素で構成される新規硫化物熱電素子の電極形成

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本研究では，資源存在量が多く毒性の低い元素で構成されている三硫化二銅スズ（以下CTS）を用いた熱発電素子の開発を目指している．CTS熱発電素子の研究は国内外共に材料開発に偏っており，電極開発などの研究は行われていない．そこで電極と素子を同時に作製する方法を採用し，素子に硫黄を含むので電極材料（金属）が硫黄と反応しないような原料や条件を見出すことでCTS熱発電素子の実用化へ向けて第一歩となる電極を形成することを目指した．モル比で1:1に計量したCu2SとSnS2にCuSとIn2S3を0.4及び0.1追加した原料を450℃と750℃で2時間ずつ加熱しCTSを合成した．得られたCTS粉体を，放電プラズマ焼結法（SPS）にて400℃，40MPaで焼結し熱電素子を作製した．焼結の際，CTS粉体の上下に電極材料となる金属粉末を追加した．電極用金属としてモリブデン(Mo)，タングステン(W)，銅(Cu)，スズ(Sn)，アルミニウム(Al)，銀(Ag)，亜鉛(Zn)の同時焼結を試みた．MoとWは焼結できなかった．Cu, SnおよびZnはCTSに拡散していき電極として残らなかった．AgはCTSとの界面で剥離が生じることがあった．これらの中ではAlが同時焼結法にて電極を作製するのに最適であることが分かった．電子顕微鏡の観察では，Al電極とＣＴＳ熱発電素子の間に中間層のようなものは見られなかった．そのため，顕微ラマン測定は行っていない．さらに300℃まで熱して素子及び電極の観察を行ったが変化はなく，剥離したり界面にクラックが入ったりすることもなく安定していた．接触抵抗は2.76Ωcm2が得られた．熱電特性では，ゼーベック係数が200-300μV/K，電気伝導率が2000 S/m程度で会った．電極を形成することには成功したが，接触抵抗が非常に高いため，その低減が課題であることが分かった．