热发电器件和使用该器件的发电方法

专利名称：热发电器件和使用该器件的发电方法
技术领域：
本发明涉及进行从热能向电能的转换的热发电器件和使用该器件的发电方法。
背景技术：
热发电技术是利用与在物质的两端产生的温差成比例地产生电动势的赛贝克效 应，直接将热能转换成电能的技术。该技术在偏僻地区用电源、宇宙用电源、军事用电源等 中利用，并正在实用化。现有的热发电器件将载流子的符号不同的ρ型半导体和η型半导体的热电材料相 组合，构成为将它们以热并联且电串联的方式连接的称为η型构造的结构。在热发电器件中使用的热电材料的性能大多用性能指数Z或者用Z与绝对温度相 乘无量纲化的性能指数ZT进行评价。ZT使用物质的S=赛贝克系数，P =电阻率，K = 热传导率，以ZT = S2T/P K表示。另外，由赛贝克系数S和电阻率P表示的s2/p是称为 功率因数的值，成为决定使温差一定时的热电材料和热电转换器件的发电性能是否良好的 基准。当前，作为热电材料正在实用化的Bi2_ 3 (0彡a彡2)等的Bi2I^3类材料的ZT 是1左右，功率因数是40 50 μ W/cmK2，现状是具有比较高的热电特性。但是，为了在更多 的用途中实用化，即使是使用该Bi2Te53类材料的π型构造的热发电器件，也不能说是具有 充分的发电性能。另一方面，作为π型构造以外的热发电器件，很早就提出了利用自然或者人工制 作的叠层构造中的热电特性的各向异性的热发电器件(例如，参照非专利文献1)。在专利 文献1中，记载了利用由金属和作为热电材料的Bi构成的叠层结构中的热电特性的各向异 性的热发电器件。专利文献1中记载的热发电器件，通过适当地选择金属与Bi的厚度比或 者叠层方向的倾斜角度，从而具有比利用Bi或者Bi2Te53类材料的π型构造的热发电器件 大幅度提高的功率因数。专利文献1专利第4078392号公报非专利文献1Α·Α· Snarskii，P.Bulat，“THERMOELECTRICS HANDBOOK”， Chapter45, CRC Press(2006)

发明内容
但是，由于在非专利文献1中记载的热发电器件的ZT不高，并且也没有观察到改 善，因此不是热发电用途，而是进行设想主要对于红外线传感器等测定用途的应用的技术 开发。另外，在具有η型构造的热发电器件中，如上所述，还不能说为了在更多的用途中使 用而具有了充分的发电性能。另外，专利文献1中记载的热发电器件虽然具有比具备η型 构造的热发电器件大的功率因数，但是希望具有更大的功率因数的热发电器件。本发明是鉴于上述的情况而完成的，目的是提供具有高发电性能的热发电器件和 使用该器件的发电方法。
本发明者进行了各种研究的结果是，发现通过以下的本发明达到了上述目的。即， 本发明一个方式的热发电器件具备相互相对配置的第一电极和第二电极；以及夹在上述 第一电极和上述第二电极之间，与上述第一电极和上述第二电极的双方电连接，在与作为 上述第一电极和上述第二电极相对的方向的电动势取出方向正交的方向上叠层的叠层体， 上述叠层体具有热电材料层和以夹着上述热电材料层的方式配置的第一夹持层和第二夹 持层，上述第一夹持层和上述第二夹持层分别具有金属和绝缘体交替叠层的叠层构造，该 叠层构造的叠层方向与上述叠层体的叠层面平行，并且是相对于上述电动势取出方向倾斜 的方向，上述第一夹持层的绝缘体与上述第二夹持层的绝缘体按照在该叠层构造的叠层方 向上交替出现的方式配置，通过在与上述叠层体的叠层方向正交并且与上述电动势取出方 向正交的方向上产生温差，经上述第一电极和上述第二电极输出电力。另外，本发明另一个方式的发电方法是使热发电器件中产生温差从而从上述热发 电器件获得电力的、使用热发电器件的发电方法，上述热发电器件具备相互相对配置的第 一电极和第二电极；以及夹在上述第一电极和上述第二电极之间，与上述第一电极和上述 第二电极的双方电连接，在与作为上述第一电极和上述第二电极相对的方向的电动势取出 方向正交的方向上叠层的叠层体，上述叠层体具有热电材料层和以夹着上述热电材料层的 方式配置的第一夹持层和第二夹持层，上述第一夹持层和上述第二夹持层分别具有金属和 绝缘体交替叠层的叠层构造，该叠层构造的叠层方向与上述叠层体的叠层面平行，并且是 相对于上述电动势取出方向倾斜的方向，上述第一夹持层的绝缘体与上述第二夹持层的绝 缘体按照在上述叠层方向上交替出现的方式配置，通过在与上述叠层体的叠层方向正交并 且与上述电动势取出方向正交的方向上产生温差，经上述第一电极和上述第二电极获得电 力。依据本发明，能够提供具有高发电性能的热发电器件和使用该器件的发电方法。


图1是本发明实施方式1的热发电器件的立体图。图2是本发明实施方式1的热发电器件的正面图。图3是本发明实施方式1的热发电器件的平面图。图4是表示本发明实施方式1的热发电元件的第一变形例的平面图。图5是表示本发明实施方式1的热发电元件的第二变形例的平面图。图6是表示驱动本发明实施方式1的热发电器件时的结构的正面图。图7A是表示本发明实施方式1的热发电器件的制造工序的流程图。图7B是本发明实施方式1的热发电器件的制造方法中的第一工序图。图7C是本发明实施方式1的热发电器件的制造方法中的第二工序图。图7D是本发明实施方式1的热发电器件的制造方法中的第三工序图。图7E是本发明实施方式1的热发电器件的制造方法中的第四工序图。图8是本发明实施方式2的热发电器件的立体图。
具体实施例方式以下，参照图面说明本发明的实施方式。
(实施方式1)图1是本发明实施方式1的热发电器件的立体图。如图1所示，实施方式1的热 发电器件具备相互相对配置的第一电极11和第二电极12 ；夹在第一电极11和第二电极 12之间而设置的、与第一电极11和第二电极12的双方电连接的叠层体20。第一电极11和第二电极12优选为导电性高的材料，优选是Cu、Ag、Mo、W、Al、Ti、 Cr、Au、Pt、In等金属或者TiN、铟锡氧化物(ITO)、SnO2等氮化物或者氧化物等。另外，第 一电极11和第二电极12也可以使用焊料或者导电性膏形成。叠层体20具备第一夹持层13、热电材料层15和第二夹持层14，将它们依次叠层。 即，热电材料层15夹在第一夹持层13和第二夹持层14之间。另外，以下将第一电极11和第二电极12相对的方向称为电动势取出方向。电动势 取出方向是图1的X方向。并且，叠层体20的叠层方向是与电动势取出方向正交的方向， 是图1的Z方向。图1的Y方向与X方向和Z方向正交。由于第一夹持层13和第二夹持层14分别具有金属16和绝缘体17周期性地交替 叠层配置的叠层构造，因此热电材料层15与这些金属16和绝缘体17接触。另外，第一夹 持层13和第二夹持层14中的金属16和绝缘体17的叠层方向是与叠层体20的叠层面(XY 平面)平行，并且相对于电动势取出方向(X方向)倾斜的方向。图2是本发明实施方式1的热发电器件的正面图。如图2所示，第一夹持层13和 第二夹持层14的叠层面18相对于电动势取出方向(X方向)倾斜。叠层面18的方向21 相对于X方向(电动势取出方向)仅倾斜角度Θ。另外，方向21具体地讲是叠层体20的 叠层面(XY平面)与叠层面18的交线方向。作为构成实施方式1的热电材料层15的热电材料，例如优选是Bi2_aSbaTe3、Bi、 PbTe, Si0.8Ge0.2, CoSi, SrTiO3^NabCoO2 等。这里，a、b 为 0 彡 a 彡 2，0. 3 彡 b 彡 0. 8。这些 热转换材料具有适于热发电器件100的结构的性质，能够提供具有高发电性能的热发电器 件100。另外，热电材料也可以使用除此以外的材料，即使在那样的情况下，热发电器件100 也具有充分的发电性能。另外，在作为热电材料层15的材料使用Sia8Gea2的情况下，也可以包含B(硼)、 P(磷)、Al等杂质。另外，在作为热电材料层15的材料使用SrTiO3的情况下，也可以包含 La、Nb等杂质。另夕卜，在作为热电材料层15的材料使用NabCoO2 (0.3彡b彡0.8)的情况下， 也可以包含Sr、Ca等杂质。另外，热电材料层15有时因制作方法引起组成偏差，但是只要 是在所记载的组成比的20%以内的偏差，则不会显著地破坏性能，因此是可以允许的。另外，在第一夹持层13和第二夹持层14中，周期性地配置绝缘体17和金属16。 另外，第一夹持层13和第二夹持层14的绝缘体17都有相同的叠层周期和叠层方向。因此， 相互相邻的绝缘体17以成为相同的间隔的方式配置。第一夹持层13和第二夹持层14的 各自中的绝缘体17的叠层周期是周期χ (参照图2、。第一夹持层13的绝缘体17和第二夹 持层14的绝缘体17配置成关于它们的叠层方向交替地出现。第一夹持层13的绝缘体17 和第二夹持层14的绝缘体17优选关于它们的叠层方向错开周期χ的半个周期而配置。如上所述，在热发电器件100中，第一夹持层13和第二夹持层14的绝缘体17优 选分别周期性地配置，而即使是没有周期性地配置的结构，热发电器件100也能够发电。但 是，在周期性地配置有绝缘体17的结构中，热发电器件100表现出良好的特性。
另外，第一夹持层13的绝缘体17和第二夹持层14的绝缘体17的关于叠层方向 的配置偏差优选是周期X的半个周期(0. 5周期)，这种情况下，热发电器件100表现出最优 选的特性。但是，配置偏差即使是周期χ的半个周期以外，热发电器件100也能够发电，配 置偏差优选是周期χ的0. 3 0. 7，更优选的是周期χ的0. 4 0. 6。当配置偏差处在周期 χ的0. 3 0. 7的范围中时，在本说明书中，将这种配置偏差基本上称为半周期的偏差。叠层体20的叠层方向(Z方向)中的绝缘体17的厚度可以是大于等于金属16的 厚度。图3是本发明实施方式1的热发电器件的平面图。例如，如图1和图3所示，Z方向 上的绝缘体17的厚度优选等于Z方向上的金属16和热电材料层15的厚度之和，但也可以 是除此以外的厚度。图4是表示本发明实施方式1的热发电元件的第一变形例的平面图， 图5是表示本发明实施方式1的热发电元件的第二变形例的平面图。如图4所示，绝缘体 17也可以形成为进入到热电材料层15的一部分中。进而，如图5所示，第一夹持层13的绝 缘体17也可以分断热电材料层15到达第二夹持层14，第二夹持层14的绝缘体17也可以 分断热电材料层15到达第一夹持层13。但是叠层体20并未被绝缘体17完全分断。第一夹持层13和第二夹持层14的金属16优选是热传导率高并且电阻率小的材 料。由此，热发电器件100的发电性能提高。对于金属16优选使用Cu、Ag、Au、Al或者由这 些材料形成的合金等。另外，如果考虑导电性、热传导性、制作的难易程度等，作为金属16， 与Al相比较更加优选Cu、Ag、Au，特别优选的是Cu和Ag。另外，绝缘体17只要是具有电绝缘性的材料则没有特别限定。具体地讲，可以是 Si02、Al203、&02、Tii205等氧化物，Si3N4等氮化物，环氧树脂等。另外，绝缘体17也可以是空 气、氮等气体或者真空。例如，通过在绝缘体17的配置位置形成槽，使热发电器件100在空 气中动作，能够使绝缘体17为空气。另外，当将在绝缘体17的配置位置形成有槽的热发电 器件100设置在充填有空气以外的气体并以气体不会泄漏的方式密封的容器中，并使该热 发电器件100动作时，绝缘体17为该被充填的气体。另外，通过使该容器成为真空状态，绝 缘体17为真空。在使绝缘体17为空气等的情况下，与使绝缘体17为固体的情况相比较， 能够减轻热发电器件100的重量，但是在强度降低方面应该加以注意。图6是表示驱动本发明实施方式1的热发电器件时的结构的正面图。在驱动热发 电器件100时，可以使沿着Y方向产生温差。由于在热发电器件100的Y方向上产生温度 梯度，因此将高温部62和低温部63配置成沿着Y方向相对，在热发电器件100中使它们贴 紧。高温部62和低温部63例如是加热器、散热器等。通过高温部62和低温部63沿着热 发电器件100的Y方向产生温差，由此在叠层体20中产生电动势，热发电器件100经由第 一电极11和第二电极12输出电力。具有π型构造的现有的热发电器件在相对于产生温差的方向平行的方向上产生 电动势，在垂直方向上没有产生电动势。但是，在热发电器件100中，温度梯度产生的方向 (Y方向)与电动势取出方向(X方向)不同。即，热发电器件100利用不同材料的叠层构造 中的热电特性的各向异性进行发电。叠层体20是作为金属16与绝缘体17的叠层构造体 的、叠层有第一夹持层13和第二夹持层14、热电材料层15的构造。由于叠层体20是这种 构造，因此在热发电器件中沿着与产生温差的方向(Y方向)不同方向、即电动势取出方向 (X方向)产生电动势。本发明者们如在后述的实施例中所述，研究了热发电器件100进行动作的各种条件，尝试进行了优化。由此，在详细地研究热发电器件100中的规定条件与热发电性能的关 系的过程中，发现可以得到预想以外的很大的热发电性能。具体地讲，研究了相对叠层面18 的方向21与电动势取出方向(X方向)构成的角度(角度Θ)的热发电性能。另外，研究了相对第一夹持层13和第二夹持层14中的绝缘体17的叠层周期(周 期X)与金属16的厚度之比的热发电性能。另外，研究了相对上述周期X与热电材料层15 的厚度之比的热发电性能。关于这些研究结果在后面叙述。另外，金属16的厚度或者热电 材料层15的厚度是叠层体20的叠层方向(Z方向)上的厚度(参照图1)。在热发电器件100中，在将热电材料层15的材料采用Bi2_aSbaI^3 (0 < a < 2)的 情况下，周期χ与金属16的厚度之比优选在100 1到0.4 1的范围内，更优选的是在 40 1到1 1的范围内(参照后述的实施例2)。如根据实施例所知，使周期χ与金属16 的厚度之比在该范围内时的热发电器件100的功率因数(S2/P)成为极其实用的值。另外，在该热发电器件100中，周期χ与热电材料层(Bi2_aSbaI^3层)15的厚度之 比优选在1000 1到20 1的范围内，更优选的是在400 1到100 1的范围内(参 照后述的实施例3)。如根据实施例所知，使周期χ与热电材料层15的厚度之比在该范围内 时的热发电器件100的功率因数(S2/p)成为极其实用的值。另外，在该热发电器件100中，角度θ优选制作成在大于等于10°小于等于70° 的范围内，更优选的是在大于等于20°小于等于50°的范围内(参照后述的实施例1)。如 根据实施例所知，使角度θ在该范围内时的热发电器件100的功率因数(S2/p)成为极其 实用的值。另外，在热发电器件100中，在将热电材料层15的材料采用Bi的情况下，周期χ 与金属16的厚度之比优选在20 1到1 1的范围内，更优选的是在10 1到2. 5 1 的范围内(参照后述的实施例6)。如根据实施例所知，使周期χ与金属16的厚度之比在该 范围内时的热发电器件100的功率因数(S2/P)成为极其实用的值。另外，在该热发电器件100中，周期χ与热电材料层(Bi层)15的厚度之比优选在 100 1到5 1的范围内，更优选的是在50 1到10 1的范围内(参照后述的实施例 7)。如根据实施例所知，使周期χ与热电材料层15的厚度之比在该范围内时的热发电器件 100的功率因数(S2/P)成为极其实用的值。另外，在该热发电器件100中，角度θ优选制作成在大于等于20°小于等于60° 的范围内，更优选的是在大于等于20°小于等于50°的范围内(参照后述的实施例5)。如 根据实施例所知，使角度θ在该范围内时的热发电器件100的功率因数(S2/p)成为极其 实用的值。另外，在热发电器件100中，在将热电材料层15的材料采用1 的情况下，周期χ 与金属16的厚度之比优选在100 1到0.4 1的范围内，更优选的是在40 1到1 1 的范围内(参照后述的实施例10)。如根据实施例所知，使周期χ与金属16的厚度之比在 该范围内时的热发电器件100的功率因数(S2/p)成为极其实用的值。另外，在该热发电器件100中，周期χ与热电材料层0 层)15的厚度之比优选 在1000 1到10 1的范围内，更优选的是在400 1到40 1的范围内(参照后述的 实施例11)。如根据实施例所知，使周期χ与热电材料层15的厚度之比在该范围内时的热 发电器件100的功率因数(S2/p)成为极其实用的值。
另外，在该热发电器件100中，角度θ优选制作成在大于等于10°小于等于60° 的范围内，更优选的是在大于等于20°小于等于50°的范围内(参照后述的实施例9)。如 根据实施例所知，将角度θ设置在该范围内时的热发电器件100的功率因数(S2/p)成为 极其实用的值。另外，在热发电器件100中，在将热电材料层15的材料采用Sia8Ge5a2的情况下，周 期X与金属16的厚度之比优选在20 1到167 1的范围内，更优选的是在10. 1到 2 1的范围内(参照后述的实施例14)。如根据实施例所知，使周期χ与金属16的厚度 之比在该范围内时的热发电器件100的功率因数(S2/p)成为极其实用的值。另外，在该热发电器件100中，周期χ与热电材料层(Sia8Ge5a2层)15的厚度之比 优选在250 1到10 1的范围内，更优选的是在100 1到25 1的范围内(参照后 述的实施例15)。如根据实施例所知，使周期χ与热电材料层15的厚度之比在该范围内时 的热发电器件100的功率因数(S2/P )成为极其实用的值。另外，在该热发电器件100中，角度θ优选制作成在大于等于10°小于等于50° 的范围内，更优选的是在大于等于20°小于等于40°的范围内(参照后述的实施例13)。 如根据实施例所知，使角度θ在该范围内时的热发电器件100的功率因数(S2/p)成为极 其实用的值。另外，在热发电器件100中，在将热电材料层15的材料采用CoSi的情况下，周 期X与金属16的厚度之比优选在20 1到1.25 1的范围内，更优选的是在10 1到 2.5 1的范围内(参照后述的实施例18)。如根据实施例所知，使周期χ与金属16的厚 度之比在该范围内时的热发电器件100的功率因数(s2/p)成为极其实用的值。另外，在该热发电器件100中，周期χ与热电材料层(CoSi层)15的厚度之比优选 在100 1到6.25 1的范围内，更优选的是在50 1到12. 5 1的范围内(参照后述 的实施例19)。如根据实施例所知，使周期χ与热电材料层15的厚度之比在该范围内时的 热发电器件100的功率因数(S2/p)成为极其实用的值。另外，在该热发电器件100中，角度θ优选制作成在大于等于20°小于等于50° 的范围内，更优选的是在大于等于20°小于等于40°的范围内(参照后述的实施例17)。 如根据实施例所知，将角度θ取为该范围内时的热发电器件100的功率因数(S2/p)成为 极其实用的值。另外，在热发电器件100中，在将热电材料层15的材料采用SrTiO3的情况下，周 期χ与金属16的厚度之比优选在20 1到1.25 1的范围内，更优选的是在10 1到 2.5 1的范围内(参照后述的实施例22)。如根据实施例所知，使周期χ与金属16的厚 度之比在该范围内时的热发电器件100的功率因数(S2/P)成为极其实用的值。另外，在该热发电器件100中，周期χ与热电材料层(SrTiO3层)15的厚度之比优 选在250 1到8 1的范围内，更优选的是在100 1到10 1的范围内(参照后述的 实施例23)。如根据实施例所知，使周期χ与热电材料层15的厚度之比在该范围内时的热 发电器件100的功率因数(S2/p)成为极其实用的值。另外，在该热发电器件100中，角度θ优选制作成在大于等于10°小于等于50° 的范围内，更优选的是在大于等于20°小于等于40°的范围内(参照后述的实施例21)。 如根据实施例所知，将角度θ形成为该范围内时的热发电器件100的功率因数(S2/p)成为极其实用的值。另外，在热发电器件100中，在将热电材料层15的材料采用 NabCoO2 (0. 3彡b彡0. 8)的情况下，周期χ与金属16的厚度之比优选在50 1到2 1的 范围内，更优选的是在10 1到5 1的范围内(参照后述的实施例沈)。如根据实施例 所知，使周期χ与金属16的厚度之比在该范围内时的热发电器件100的功率因数(S2/p) 成为极其实用的值。另外，在该热发电器件100中，周期χ与热电材料层(NabCc^2层)15的厚度之比优 选在250 1到12. 5 1的范围内，更优选的是在100 1到25 1的范围内(参照后 述的实施例27)。如根据实施例所知，使周期χ与热电材料层15的厚度之比在该范围内时 的热发电器件100的功率因数(S2/P)成为极其实用的值。另外，在该热发电器件100中，角度θ优选制作成在大于等于20°小于等于50° 的范围内，更优选的是在大于等于20°小于等于40°的范围内(参照后述的实施例25)。 如根据实施例所知，使角度θ形成在该范围内时的热发电器件100的功率因数(S2/p)成 为极其实用的值。另夕卜，热发电器件100的功率因数如果大于等于70(yW/(cm*K2)则特别理想。由 此，热发电器件100能够在众多的用途中使用。如上所述，热发电器件100起到具有高发电性能的效果。在热发电器件100中，根 据热发电材料层15的材料，设定周期χ与金属的厚度之比、周期χ与热发电材料层的厚度 之比和角度θ，由此能够大大超过单独使用热发电材料层15的材料时的热电性能。从而， 能够提供更实用的热发电器件100。参照图7Α 图7Ε说明本发明的热发电器件的制作方法的一个例子。图7Α是表 示本发明实施方式1的热发电器件的制造工序的流程图。另外，图7Β 图7Ε是本发明实 施方式1的热发电器件的制造方法的第一 第四工序图。首先，如图7Β所示，准备与金属16同一材质的2片金属平板16a和平板状的热电 材料层15，通过将热电材料层15夹在2片金属平板16a之间进行加热和压接，将它们构成 为一体，制作3层构造的叠层构造体20a (步骤Si)。接着，如图7C所示，使用刀具等对3层 的叠层构造体20a实施槽加工(步骤S》。通过该槽加工形成的槽部17a是形成绝缘体17 的位置。因此，需要考虑槽部17a的周期和相对于叠层构造体20a的角度等实施槽加工。另 外，从叠层构造体20a的金属平板16a侧的两个面分别进行槽加工，这时，将两个面中的槽 部17a的位置的周期都形成为同一个周期(周期χ)。形成在2片金属平板16a的槽部17a 配置为相互错开半个周期。另外，槽部17a的深度需要为大于等于金属平板16a的厚度，使 得至少完全分断被实施槽加工一侧的金属平板16a。接着，如图7D所示，在槽部17a形成绝缘体17(步骤S3)。具体地讲，在槽部17a 中充填有包含电绝缘体粉末的膏以后，通过热处理等使膏固化，可以在槽部17a中形成绝 缘体17。另外，也可以通过将液状的树脂充填在槽部17a以后使其干燥从而形成绝缘体17。 由此，制作叠层体20。接着，如图7E所示，制作第一电极11和第二电极12(步骤S4)。具体地讲，在叠层体20中，在垂直于长边方向并且相互相对的两个面上，分别设 置第一电极11和第二电极12。由此，制作热发电器件100。在第一电极11和第二电极12的制作中，例如，除去蒸镀法、溅射法等气相生长以外，还能够使用导电性膏的涂敷、电镀、 喷镀、利用焊料进行的接合等各种方法。另外，在步骤Sl中准备的热电材料层15和金属平板16a也可以不是与叠层体20 相同的大小，可以采用仅能够形成多个叠层体20的大小。在这种情况下，在步骤S3后，可 以从叠层构造体20a切割出各叠层体20。这种情况下，根据切割位置、方向等，绝缘体17和 金属16的叠层方向不同，因此需要以成为所希望的叠层方向的方式进行切割。另外，热发电器件100的制造方法不限于上述方法，只要是能够实现热发电器件 100的构造的制造方法，也可以是除此以外的方法。例如，也可以在长方形的热电材料平板 的表面，将成为各金属16的平行四边形的金属平板保持一定的间隔的同时周期性地粘贴， 由此制作叠层构造体20a，然后，进行步骤S3和步骤S4。在这种情况下，金属平板之间的一 定的间隔与槽部17a相对应。(实施方式2)图8是本发明实施方式2的热发电器件的立体图。如图8所示，实施方式2的热 发电器件200具有多个叠层体20电串联连接的结构。关于叠层体20的结构和功能等已在 实施方式1中说明过，因此省略。如图8所示，实施方式2的热发电器件200具备并列设置在同一个面上的多个G 个)叠层体20、用于连接它们的多个(3个)连接电极81、用于从热发电器件200取出电力 到外部的2个取出电极82。4个叠层体20通过连接电极81以电串联的方式连接。并且，在位于该连接体两端 部的叠层体20端部中的没有与其它的叠层体20连接一侧的端部设置有取出电极82。连接电极81和取出电极82只要是具有导电性的材料则没有特别限定。具体地讲， 可以采用Cu、Ag、Mo、W、Al、Ti、Cr、Au、Pt、In等金属，或者TiN、铟锡氧化物(ITO), SnO2等 氮化物或者氧化物。另外，作为连接电极81和取出电极82也能够使用焊料或者导电性膏。 连接电极81和取出电极82除使用蒸镀法、溅射法等气相生长法以外，还能够使用电镀、喷 镀等各种方法制作。另外，在将叠层体20进行电连接时优选以通过热流产生的各叠层体20 的电动势没有被相互抵销的方式连接。如图8所示，相邻的叠层体20优选配置成倾斜构造 的倾率相互相反。另外，热发电器件200具有电连接的4个叠层体20并列设置在同一个面 上的结构，但也可以在相邻的叠层体20之间例如通过充填树脂，将热发电器件200做成平 板状。在驱动该热发电器件200时，通过使热发电器件200的上表面紧贴高温部，使下表 面紧贴低温部，在器件内产生温差，从而产生热流。热发电器件200将上述热流转换成电 力，经由取出电极82输出到外部。在热发电器件200中，通过加大热发电器件200中的用 于产生热流的实际安装面积，能够得到更大的发电量。另外，所谓实际安装面积，是为了产 生在发电中所需要的温度梯度而用于使热从外部进出的区域的面积。具体地讲，是在热发 电器件中与高温部或者低温部紧贴的区域的面积。如果实际安装面积大，则由于热发电器 件200内的热流也相应变大，因此产生的电动势也大。热发电器件200与热发电器件100 相比较由于使用较多个叠层体20，因此实际安装面积大，能够得到更大的发电量。另外，在图8表示的热发电器件200中使用4个叠层体20，但叠层体20的数量不 限于4个，可以是多个。另外，还可以经由连接电极81将多个叠层体20进行电并联连接，由此构成热发电器件。将叠层体20串联连接构成的热发电器件200起到取出电力时的电 压大这样的效果，而将叠层体20并联连接构成的热发电器件起到热发电器件整体的内阻 小这样的效果。另外，将叠层体20并联连接构成的热发电器件还具有即使电连接发生局部 断路，也能够保持作为器件整体的电连接这样的优点。另外，还可以通过将它们串联和并联 连接适当组合，构成热发电器件。如上所述，本发明的热发电器件有出色的发电性能，促进热与电的能量转换的应 用，本发明的工业价值很高。本发明的热发电器件例如能够作为使用从汽车或者工厂排出 的排出气体等的热量的发电机利用。另外，还能够应用在小型的便携发电机等的用途中。以下，说明本发明的更具体的实施例。(实施例1)制造图1所示的热发电器件100，并测定其性能。在实施例1中，将热电材料层15 的材料采用Bia5SbuTi^另外，作为金属16，使用Au、Ag、Cu、Al。在第一电极11和第二电 极12中使用有Au。由热电材料层15和2片金属平板16a构成的叠层构造体20a，通过在 由200mmX5mmX0. 2mm的热电材料构成的板材的两面，热压接200mmX 5mmX 2mm的金属板 而得到(参照图7B)。在叠层构造体20a的金属平板16a部分，从两侧起用立铣刀进行宽 度0. 5mm、深度2. 2mm并且相对于叠层构造体20a的长边的倾斜角度是30°的槽加工(参 照图7C)。因此，图2中图示的角度θ是30°。另外，周期性地配置槽部17a，图2图示的 与周期χ相对应的槽部17a之间的距离是20mm。因此，周期χ是20mm。另外，形成在2片 金属平板16a的槽部17a成为相互错开半个周期的配置。然后在叠层构造体20a的长边的 两端，通过溅射法形成由Au构成的电极，制作完成热发电器件100(参照图7E)。对于所制作的试样(热发电器件)进行发电性能的评价。如图6所示，用陶瓷加 热器(高温部62)将相对于热发电器件100的Y方向垂直的面的一方加热到40°C，将另一 方在水冷装置(低温部63)中冷却到30°C，测定2个电极之间的电动势和电阻。金属16采 用铜的热发电器件100的电动势是18. 4mV,电阻是0. 44m Ω。由此，还可以估计功率因数是 457yW/cmK2。同样，使金属16和角度θ变化，测定热发电器件100的性能，得到了表1的 结果。[表 1][由角度θ)引起的器件的功率因数(yW/c mK2)的变化]
权利要求
1.一种热发电器件，其特征在于，具备相互相对配置的第一电极和第二电极；以及叠层体，其夹在所述第一电极和所述第二电极之间，与所述第一电极和所述第二电极 的双方电连接，在与作为所述第一电极和所述第二电极相对的方向的电动势取出方向正交 的方向上叠层，所述叠层体具有热电材料层和以夹着所述热电材料层的方式配置的第一夹持层和第二夹持层，所述第一夹持层和所述第二夹持层分别具有金属和绝缘体交替叠层的叠层构造，该叠 层构造的叠层方向与所述叠层体的叠层面平行，并且是相对于所述电动势取出方向倾斜的 方向，所述第一夹持层的绝缘体与所述第二夹持层的绝缘体按照在该叠层构造的叠层方向 上交替出现的方式配置，通过在与所述叠层体的叠层方向正交并且与所述电动势取出方向正交的方向上产生 温差，经所述第一电极和所述第二电极输出电力。
2.根据权利要求1所述的热发电器件，其特征在于所述第一夹持层和所述第二夹持层都具有周期性的所述叠层构造，所述第一夹持层和所述第二夹持层中的绝缘体的叠层周期相同，所述第一夹持层和所述第二夹持层的绝缘体在其叠层方向上实质上相互错开半个周 期进行配置。
3.根据权利要求1所述的热发电器件，其特征在于所述热电材料层为Sia8Gea2层。
4.根据权利要求3所述的热发电器件，其特征在于所述叠层体的叠层面和所述叠层构造的叠层面的交线方向与所述电动势取出方向形 成的角度大于等于10°小于等于50°。
5.根据权利要求4所述的热发电器件，其特征在于所述叠层体的叠层面和所述叠层构造的叠层面的交线方向与所述电动势取出方向形 成的角度大于等于20°小于等于40°。
6.根据权利要求3所述的热发电器件，其特征在于所述第一夹持层和所述第二夹持层都具有周期性的所述叠层构造，所述第一夹持层和所述第二夹持层中的绝缘体的叠层周期相同，所述第一夹持层和所述第二夹持层的绝缘体在其叠层方向上实质上相互错开半个周 期进行配置，所述绝缘体的叠层周期与在所述叠层体的叠层方向上的所述金属的厚度之比在 20 1到1. 67 1的范围内。
7.根据权利要求6所述的热发电器件，其特征在于所述绝缘体的叠层周期与在所述叠层体的叠层方向上的所述金属的厚度之比在 10 1至Ij 2 1的范围内。
8.根据权利要求3所述的热发电器件，其特征在于所述第一夹持层和所述第二夹持层都具有周期性的所述叠层构造，所述第一夹持层和所述第二夹持层中的绝缘体的叠层周期相同， 所述第一夹持层和所述第二夹持层的绝缘体在其叠层方向上实质上相互错开半个周 期进行配置，所述绝缘体的叠层周期与在所述叠层体的叠层方向上的所述热电材料层的厚度之比 在250 1到10 1的范围内。
9.根据权利要求8所述的热发电器件，其特征在于所述绝缘体的叠层周期与在所述叠层体的叠层方向上的所述热电材料层的厚度之比 在100 1到25 1的范围内。
10.根据权利要求1所述的热发电器件，其特征在于 所述热电材料层是Bi2_aSbk3层，其中，0 < a < 2。
11.根据权利要求10所述的热发电器件，其特征在于所述叠层体的叠层面和所述叠层构造的叠层面的交线方向与所述电动势取出方向形 成的角度大于等于10°小于等于70°。
12.根据权利要求11所述的热发电器件，其特征在于所述叠层体的叠层面和所述叠层构造的叠层面的交线方向与所述电动势取出方向形 成的角度大于等于20°小于等于50°。
13.根据权利要求10所述的热发电器件，其特征在于所述第一夹持层和所述第二夹持层都具有周期性的所述叠层构造， 所述第一夹持层和所述第二夹持层中的绝缘体的叠层周期相同， 所述第一夹持层和所述第二夹持层的绝缘体在其叠层方向上实质上相互错开半个周 期进行配置，所述绝缘体的叠层周期与在所述叠层体的叠层方向上的所述金属的厚度之比在 100 1到0. 4 1的范围内。
14.根据权利要求13所述的热发电器件，其特征在于所述绝缘体的叠层周期与在所述叠层体的叠层方向上的所述金属的厚度之比在 40 1至Ij 1 1的范围内。
15.根据权利要求10所述的热发电器件，其特征在于所述第一夹持层和所述第二夹持层都具有周期性的所述叠层构造， 所述第一夹持层和所述第二夹持层中的绝缘体的叠层周期相同， 所述第一夹持层和所述第二夹持层的绝缘体在其叠层方向上实质上相互错开半个周 期进行配置，所述绝缘体的叠层周期与在所述叠层体的叠层方向上的所述热电材料层的厚度之比 在1000 1到20 1的范围内。
16.根据权利要求15所述的热发电器件，其特征在于所述绝缘体的叠层周期与在所述叠层体的叠层方向上的所述热电材料层的厚度之比 在400 1到100 1的范围内。
17.根据权利要求1所述的热发电器件，其特征在于 所述热电材料层是Bi层。
18.根据权利要求17所述的热发电器件，其特征在于所述叠层体的叠层面和所述叠层构造的叠层面的交线方向与所述电动势取出方向形 成的角度大于等于20°小于等于60°。
19.根据权利要求18所述的热发电器件，其特征在于所述叠层体的叠层面和所述叠层构造的叠层面的交线方向与所述电动势取出方向形 成的角度大于等于20°小于等于50°。
20.根据权利要求17所述的热发电器件，其特征在于所述第一夹持层和所述第二夹持层都具有周期性的所述叠层构造， 所述第一夹持层和所述第二夹持层中的绝缘体的叠层周期相同， 所述第一夹持层和所述第二夹持层的绝缘体在其叠层方向上实质上相互错开半个周 期进行配置，所述绝缘体的叠层周期与在所述叠层体的叠层方向上的所述金属的厚度之比在 20 1至Ij 1 1的范围内。
21.根据权利要求20所述的热发电器件，其特征在于所述绝缘体的叠层周期与在所述叠层体的叠层方向上的所述金属的厚度之比在 10 1到2. 5 1的范围内。
22.根据权利要求17所述的热发电器件，其特征在于所述第一夹持层和所述第二夹持层都具有周期性的所述叠层构造， 所述第一夹持层和所述第二夹持层中的绝缘体的叠层周期相同， 所述第一夹持层和所述第二夹持层的绝缘体在其叠层方向上实质上相互错开半个周 期进行配置，所述绝缘体的叠层周期与在所述叠层体的叠层方向上的所述热电材料层的厚度之比 在100 1到5 1的范围内。
23.根据权利要求22所述的热发电器件，其特征在于所述绝缘体的叠层周期与在所述叠层体的叠层方向上的所述热电材料层的厚度之比 在50 1到10 1的范围内。
24.根据权利要求1所述的热发电器件，其特征在于 所述热电材料层是I^bTe层。
25.根据权利要求M所述的热发电器件，其特征在于所述叠层体的叠层面和所述叠层构造的叠层面的交线方向与所述电动势取出方向形 成的角度大于等于10°小于等于60°。
26.根据权利要求25所述的热发电器件，其特征在于所述叠层体的叠层面和所述叠层构造的叠层面的交线方向与所述电动势取出方向形 成的角度大于等于20°小于等于50°。
27.根据权利要求M所述的热发电器件，其特征在于所述第一夹持层和所述第二夹持层都具有周期性的所述叠层构造， 所述第一夹持层和所述第二夹持层中的绝缘体的叠层周期相同， 所述第一夹持层和所述第二夹持层的绝缘体在其叠层方向上实质上相互错开半个周 期进行配置，所述绝缘体的叠层周期与在所述叠层体的叠层方向上的所述金属的厚度之比在 1到0. 4 1的范围内。
28.根据权利要求27所述的热发电器件，其特征在于所述绝缘体的叠层周期与在所述叠层体的叠层方向上的所述金属的厚度之比在 40 1至Ij 1 1的范围内。
29.根据权利要求M所述的热发电器件，其特征在于所述第一夹持层和所述第二夹持层都具有周期性的所述叠层构造， 所述第一夹持层和所述第二夹持层中的绝缘体的叠层周期相同， 所述第一夹持层和所述第二夹持层的绝缘体在其叠层方向上实质上相互错开半个周 期进行配置，所述绝缘体的叠层周期与在所述叠层体的叠层方向上的所述热电材料层的厚度之比 在1000 1到10 1的范围内。
30.根据权利要求四所述的热发电器件，其特征在于所述绝缘体的叠层周期与在所述叠层体的叠层方向上的所述热电材料层的厚度之比 在400 1到40 1的范围内。
31.根据权利要求1所述的热发电器件，其特征在于 所述金属为Cu、Ag或Au。
32.根据权利要求1所述的热发电器件，其特征在于 所述金属为Al。
33.根据权利要求1所述的热发电器件，其特征在于 功率因数大于等于70 μ W/ (cm · K2)。
34.一种发电方法，其为使热发电器件中产生温差从而从所述热发电器件获得电力的、 使用热发电器件的发电方法，其特征在于所述热发电器件具备 相互相对配置的第一电极和第二电极；以及叠层体，其夹在所述第一电极和所述第二电极之间，与所述第一电极和所述第二电极 的双方电连接，在与作为所述第一电极和所述第二电极相对的方向的电动势取出方向正交 的方向上叠层，所述叠层体具有热电材料层和以夹着所述热电材料层的方式配置的第一夹持层和第二夹持层，所述第一夹持层和所述第二夹持层分别具有金属和绝缘体交替叠层的叠层构造，该叠 层构造的叠层方向与所述叠层体的叠层面平行，并且是相对于所述电动势取出方向倾斜的 方向，所述第一夹持层的绝缘体与所述第二夹持层的绝缘体按照在所述叠层方向上交替出 现的方式配置，通过在与所述叠层体的叠层方向正交并且与所述电动势取出方向正交的方向上产生 温差，经所述第一电极和所述第二电极获得电力。
全文摘要
本发明的热发电器件具备相互相对配置的第一电极和第二电极；和叠层体，其夹在第一电极和第二电极之间，与第一电极和第二电极的双方电连接，在与作为第一电极和第二电极相对的方向的电动势取出方向正交的方向上叠层。叠层体具有热电材料层和以夹着热电材料层的方式配置的第一夹持层和第二夹持层，第一夹持层和第二夹持层分别具有金属和绝缘体交替叠层的叠层构造，该叠层构造的叠层方向与叠层体的叠层面平行，并且是相对于电动势取出方向倾斜的方向，第一夹持层的绝缘体与第二夹持层的绝缘体按照在该叠层方向上交替出现的方式配置，通过在与叠层体的叠层方向正交并且与电动势取出方向正交的方向上产生温差，经第一电极和第二电极输出电力。
文档编号H02N11/00GK102047458SQ20098012031
公开日2011年5月4日 申请日期2009年10月26日 优先权日2008年11月21日
发明者四桥聪史, 菅野勉, 足立秀明, 酒井章裕, 高桥宏平 申请人:松下电器产业株式会社