熱電変換の基礎、熱電材料の高性能化指針および最新の研究開発動向

熱電発電を用いれば、廃熱、地熱、太陽熱などの未利用熱から電力を生み出せることから、熱電発電素子は、低炭素・省エネルギー社会を構築に寄与する主要技術の一つとして注目を集めてきた。また、最近では、IoT用のセンサーを動作させるために、環境熱から微小電力を得る手法としても注目されている。熱電素子やその主要構成要素である熱電材料の研究は長年行われてきたが、特に、近年の研究による熱電材料の高性能化は著しく、熱電素子利用の拡大が期待されている。 　本セミナーでは、熱電素子の構造、動作原理、性能評価について解説する。特に、高いエネルギー変換効率を生み出すために熱電材料に必要とされる条件を詳しく紹介する。また、それらを達成する為の指針として、既存の考え方の間違いを明確に指摘するとともに、固体物理学の基礎を用いて正しい考え方を示す。同時に、その考え方を用いて開発した最新の材料について、世界における最新の材料開発動向とともに紹介する。

1. 熱電変換の基礎
   1. 熱電効果
      • ゼーベック効果
      • ペルチェ効果
      • トムソン効果
   2. 熱電効果を生み出す機構
   3. 熱電素子の基本構造
   4. 熱電素子の性能と無次元性能指数
   5. 応用例
2. 熱電変換材料の物理
   1. 固体材料の電子構造
   2. ボルツマン輸送方程式 (緩和時間近似)
   3. 電気伝導度
   4. ゼーベック係数
   5. フォノンと格子熱伝導度
   6. フォノン分散
   7. フォノン伝播とウムクラップ散乱
   8. 非調和振動
3. 熱電変換材料の設計指針
   1. 電子構造性能因子と熱伝導度性能因子
   2. 高性能熱電材料を作製する材料設計指針
4. 熱電材料
   1. 既存の代表的熱電材料
      1. Bi2Te3系材料
      2. シリコン・ゲルマニウム材料
      3. シリサイド
      4. スクッテルダイド・クラスレート
      5. 酸化物
      6. Pb系材料
      7. カルコゲナイド系材料
   2. 最近の材料開発におけるトレンド
   3. 講演者が開発した超高性能材料
5. 熱電素子の利用状況と将来展望
• 質疑応答