使用热发电元件的发电方法、热发电元件及其制造方法、热发电器件技术

本发明专利技术提供比现有技术具有更高的热发电性能、能够应用于更多用途的，使用热发电元件的发电方法、热发电元件和热发电器件。该热发电元件包括：相互相对配置的第一电极和第二电极；和被第一和第二电极夹持，并且与第一和第二电极两者电连接的叠层体，叠层体具有交替地叠层有Ｂｉ↓［２］Ｔｅ↓［３］层和含有Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ或Ａｕ的金属层的结构，金属层与Ｂｉ↓［２］Ｔｅ↓［３］层的厚度之比在金属层∶Ｂｉ↓［２］Ｔｅ↓［３］层＝４００∶１～２０∶１的范围内，Ｂｉ↓［２］Ｔｅ↓［３］层和金属层的叠层面相对于第一电极和第二电极相对的方向，以１５°以上６０°以下的倾斜角θ倾斜，在元件的与方向垂直的方向上产生温度差，由此，通过第一和第二电极获得电力。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及作为从热能直接获得电能的方法的、使用热发电元件 的发电方法。此外，本专利技术涉及将热能直接转换成电能的热发电元件 及其制造方法，以及热发电器件。
技术介绍
热发电是利用与施加在物质的两端上的温度差成比例地产生电动 势的塞贝克效应，将热能直接转换成电能的技术。该技术在偏僻地方 用电源、宇宙用电源、军事用电源等中被实用化。在现有的热发电元件中， 一般采用将载流子的符号不同的"p型半导体"和"n型半导体"热并联并且电串联地进行组合的，被称为所谓 的"^型结构"的结构。用于热发电元件的热电材料的性能， 一般使用性能指数Z或在Z 上乘以绝对温度而得到的无量纲(non-dimensionalized)的性能指数ZT 进行评价。能够使用热电材料的塞贝克系数S、电阻率P和热传导率k ， 以式ZT二SVP k表述ZT。此外，也将仅考虑塞贝克系数S和电阻率P 的指数SVp称为功率因数(输出因数power factor),使之成为在温 度差一定的情况下评价热电材料的发电性能的基准。现在，作为热电材料而被实用化的Bi2Te3， ZT为1左右，功率因 数为40 50jaW/ (cm*K2)左右，具有较高的热发电性能，但是在制 作成具有上述"型结构的元件的情况下难以确保高的热发电性能，无 法满足在更多的用途中的实用。另一方面，作为具有与n型结构不同的结构的元件，很早即提出 了利用在自然存在的或者人工制作的叠层结构中的热电特性的各向异 性的元件 (Thermoelectrics Handbook ， Chapter 45 " Anisotropic Thermoelements", CRC Press (2006):文献l)。但是，根据文献1，在 这样的元件中难以改善ZT，所以不是在热发电的用途中，而是主要在 设想的红外线传感器等测量领域的用途中进行开发。此外，在日本特开平6-310766号公报(文献2)中公开了作为具 有与其类似的结构的热电材料，在基板上条纹状地交替排列以Fe-Si 类材料为代表的具有热电特性的材料和以Si02为代表的厚度100nm以 下的绝缘材料而形成的材料。根据文献2，具有这种微细结构的材料， 与单独使用具有热电特性的Fe-Si类材料的情况相比，能够提高塞贝克 系数S，另一方面，由于包括绝缘材料，电阻率P增大。因此，成为元 件时的内部电阻增大，得到的电力反而降低。作为具有叠层结构的其它热电材料，例如，在国际公开第 00/076006号小册子(文献3)中，公开了具有由半金属、金属或合成 树脂构成的层状体的材料。该材料与现有的n型结构同样，以在构成 层状体的各层的叠层方向上施加温度差、并通过在与该方向相同的方 向上相对配置的一对电极取出电力的结构作为前提，文献3中公开的 元件本质上与文献1中公开的元件不同。
技术实现思路
如上所述，现有的热电材料不能够实现在更多的用途中满足实用 的充分的热发电性能。本专利技术者们对使用叠层体的热发电元件反复锐 意研究，发现了以下意想不到的结果通过使用由Bi2Te3 (碲化铋)层 和含有特定金属的金属层构成的、上述Bi2Te3层与上述金属层的厚度 之比在特定范围内的叠层体，并使叠层体的叠层面相对于夹持该叠层 体的电极彼此相对的方向以规定的倾斜角e倾斜，与单独使用Bi2Te3作为热电材料的情况相比，能够增大元件的功率因数，能够很大地提 高热发电特性，根据该结果完成了本专利技术。艮口，本专利技术的使用热发电元件的发电方法，是在热发电元件中产 生温度差，从上述元件得到电力的方法，上述元件包括相互相对配 置的第一电极和第二电极；和被上述第一和第二电极夹持，并且与上 述第一和第二电极两者电连接的叠层体，上述叠层体具有交替地叠层 有BbTe3层和含有Al、 Cu、 Ag或Au的金属层的结构，上述金属层和 上述Bi2Te3层的厚度之比在金属层Bi2Te3层二400 : 1 20 : 1的范围 内，上述Bi2Te3层和上述金属层的叠层面相对于上述第一电极和上述 第二电极相对的方向，以15°以上60°以下的倾斜角e倾斜，在上述元件的与上述方向垂直的方向上产生温度差，由此，通过上述第一和 第二电极获得电力。本专利技术的热发电元件包括相互相对配置的第一电极和第二电极; 和被上述第一和第二电极夹持，并且与上述第一和第二电极两者电连 接的叠层体，上述叠层体具有交替地叠层有Bi2Te3层和含有Al、 Cu、 Ag或Au的金属层的结构，上述金属层与上述Bi2Te3层的厚度之比在 金属层Bi2Te3层二400 : 1 20 : 1的范围内，上述Bi2Te3层和上述金 属层的叠层面相对于上述第一电极和上述第二电极的相对的方向，以 15°以上60°以下的倾斜角e倾斜，由于在上述元件的与上述方向垂直的方向上的温度差，在上述第一和第二电极之间产生电位差。本专利技术的热发电元件的制造方法是下述热发电元件的制造方法， 该热发电元件包括相互相对配置的第一电极和第二电极；和被上述 第一和第二电极夹持，并且与上述第一和第二电极两者电连接的叠层 体，上述叠层体具有交替地叠层有Bi2Te3层和含有Al、 Cu、 Ag或Au 的金属层的结构，上述金属层与上述Bi2Te3层的厚度之比在金属层 Bi2Te3层400 : 1 20 : 1的范围内，上述Bi2Te3层和上述金属层的叠 层面相对于上述第一电极和上述第二电极相对的方向，以15°以上60 °以下的倾斜角e倾斜，由于在上述元件的与上述方向垂直的方向上 的温度差，在上述第一和第二电极之间产生电位差，该制造方法中， 以倾斜地横断上述Bi2Te3层和上述金属层的叠层面的方式，对交替地 叠层有Bi2Te3层和含有Al、 Cu、 Ag或Au的金属层并且上述金属层与 上述Bi2Te3层的厚度之比在金属层Bi2Te3层400 : 1 20 : 1的范围内的原板进行切出，在得到的叠层体上，以相互相对并且其相对的方 向以15°以上60°以下的倾斜角e横断上述叠层面的方式配置上述第 一和第二电极。本专利技术的热发电器件包括支承板和配置在上述支承板上的热发电 元件，上述元件包括相互相对配置的第一和第二电极；和被上述第 一和第二电极夹持，并且与上述第一和第二电极两者电连接的叠层体， 上述叠层体具有交替地叠层有Bi2Te3层和含有Al、 Cu、 Ag或Au的金 属层的结构，上述金属层与上述Bi2Te3层的厚度之比在金属层Bi2Te3 层=400 : 1 20 : 1的范围内，上述Bi2Te3层和上述金属层的叠层面相对于上述一对电极相互相对的方向以15。以上60°以下的倾斜角e倾斜，上述元件以与上述方向垂直的方向和与上述支承板的配置有上述 元件的面垂直的方向一致的方式，配置在上述支承板上，在与上述支 承板的上述面垂直的方向上产生温度差，由此，通过上述一对电极获 得电力。根据本专利技术的发电方法、热发电元件和热发电器件，与现有的热发电方法、热发电元件和热发电器件(代表性的为，单独使用Bi2Te3 作为热电材料的热发电方法、热发电元件和热发电器件)比较，能够 实现高的热发电特性。本专利技术具有提高热能和电能之间的能量转换的 效率，促进在各种领域中的热发电的应用的效果，在工业上具有较高 的价值。附图说明图1是表示本专利技术的热发电元件的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种使用热发电元件的发电方法，使热发电元件中产生温度差而从所述元件获得电力，其特征在于：　所述元件包括：　相互相对配置的第一电极和第二电极；和　被所述第一和第二电极夹持，并且与所述第一和第二电极两者电连接的叠层体，　所述叠层体具有交替地叠层有Ｂｉ↓［２］Ｔｅ↓［３］层和含有Ａｌ、Ｃｕ、Ａｇ或Ａｕ的金属层的结构，　所述金属层与所述Ｂｉ↓［２］Ｔｅ↓［３］层的厚度之比在金属层∶Ｂｉ↓［２］Ｔｅ↓［３］层＝４００∶１～２０∶１的范围内，　所述Ｂｉ↓［２］Ｔｅ↓［３］层和所述金属层的叠层面相对于所述第一电极和所述第二电极相对的方向，以１５°以上６０°以下的倾斜角θ倾斜，　在所述元件的与所述方向垂直的方向上产生温度差，由此，通过所述第一和第二电极获得电力。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：菅野勉，足立秀明，四桥聪史，
申请(专利权)人：松下电器产业株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]