[發(fā)明專(zhuān)利]熱電轉(zhuǎn)換材料

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201380010650.8
• 申請(qǐng)日: 2013-02-19
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN104115295A
• 公開(kāi)（公告）日: 2014-10-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 武藤豪志;宮崎康次;畑迫芳佳;加藤邦久
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 國(guó)立大學(xué)法人九州工業(yè)大學(xué);琳得科株式會(huì)社
• 主分類(lèi)號(hào): H01L35/32
• 分類(lèi)號(hào): H01L35/32;H01L35/16
• 代理公司: 中國(guó)專(zhuān)利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 龐立志;孟慧嵐

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及進(jìn)行熱與電的相互能量轉(zhuǎn)換的熱電轉(zhuǎn)換材料，特別涉及具有高的熱電性能指數(shù)的熱電轉(zhuǎn)換材料及其制造方法。

背景技術(shù)

近年來(lái)，系統(tǒng)單純且可小型化的熱電發(fā)電技術(shù)作為針對(duì)由大樓、工廠等中使用的化石燃料資源等產(chǎn)生的未利用廢熱能量的回收發(fā)電技術(shù)而受到關(guān)注。然而，熱電發(fā)電通常發(fā)電效率差，因而在各種企業(yè)、研究機(jī)構(gòu)中，用于提高發(fā)電效率的研究開(kāi)發(fā)相當(dāng)活躍。為了提高發(fā)電效率，需要熱電轉(zhuǎn)換材料的高效率化，為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，期望開(kāi)發(fā)出具備相當(dāng)于金屬的高導(dǎo)電率與相當(dāng)于玻璃的低導(dǎo)熱率的材料。

熱電轉(zhuǎn)換特性可以通過(guò)熱電性能指數(shù)Z（Z＝σS²/λ）來(lái)評(píng)價(jià)。這里，S是塞貝克系數(shù)、σ是導(dǎo)電率（電阻率的倒數(shù)）、λ是導(dǎo)熱率。上述熱電性能指數(shù)Z的值越大，則發(fā)電效率越提高，因而在發(fā)電的高效率化方面，重要的是找到塞貝克系數(shù)S和導(dǎo)電率σ大、導(dǎo)熱率λ小的熱電轉(zhuǎn)換材料。

通常，固體物質(zhì)的導(dǎo)熱率λ和導(dǎo)電率σ可以以材料的密度、載流子濃度作為參數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)，但由魏德曼—弗蘭茲定律可知，兩物性并非相互獨(dú)立，而是密切地連動(dòng)，因而實(shí)際情形是無(wú)法實(shí)現(xiàn)大幅的熱電性能指數(shù)的提高。在這樣的情況中，專(zhuān)利文獻(xiàn)1中提出了在半導(dǎo)體材料內(nèi)部大量導(dǎo)入以與電子和聲子的平均自由行程為相同程度、或其以下的間隔分散的非常微細(xì)的空孔而多孔化，使導(dǎo)熱率減少或使塞貝克系數(shù)增加的熱電轉(zhuǎn)換材料。根據(jù)專(zhuān)利文獻(xiàn)1的實(shí)施例，導(dǎo)熱率雖然降低，但導(dǎo)電率也一起降低（電阻率大幅增加），作為無(wú)因次熱電性能指數(shù)ZT（T：絕對(duì)溫度300K時(shí)），通過(guò)多孔化而僅由0.017增加至0.156，作為絕對(duì)值，對(duì)于面向?qū)嵱没闹笜?biāo)值ZT≥1而言，仍是相距甚遠(yuǎn)的狀況。

此外，專(zhuān)利文獻(xiàn)2中，研究了對(duì)由含有聚苯乙烯等通用聚合物和二氯甲烷等疏水性有機(jī)溶劑的涂布液形成的涂布膜，吹送將露點(diǎn)調(diào)整為高于納米或微米級(jí)別的涂布膜的溫度的含水蒸汽的氣體并使之凝結(jié)，階段性地重復(fù)凝結(jié)于前述疏水性有機(jī)溶劑中的水分的蒸發(fā)，由此形成微細(xì)的圓筒結(jié)構(gòu)體，但控制困難，特別是孔與孔的間隔參差不齊，孔的面積比例小，并適合用作熱電轉(zhuǎn)換材料中所用的多孔結(jié)構(gòu)體。

現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)

專(zhuān)利文獻(xiàn)

專(zhuān)利文獻(xiàn)1：日本專(zhuān)利登記號(hào)第2958451號(hào)

專(zhuān)利文獻(xiàn)2：日本特開(kāi)2011-105780號(hào)公報(bào)。

發(fā)明內(nèi)容

發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題

鑒于上述實(shí)際情況，本發(fā)明提供具有控制為納米級(jí)的微孔結(jié)構(gòu)、導(dǎo)熱率低、熱電性能指數(shù)提高的熱電轉(zhuǎn)換材料。

用于解決技術(shù)問(wèn)題的方法

本發(fā)明人為了解決上述課題而反復(fù)深入研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在具有微孔的由聚合物單元（A）和聚合物單元（B）構(gòu)成的嵌段共聚物（聚合物單元（A）-b-聚合物單元（B）。這里，b意指聚合物單元（A）和聚合物單元（B）形成了嵌段共聚物）基板上，形成將p型碲化鉍或n型碲化鉍成膜而成的熱電半導(dǎo)體層，由此熱電性能指數(shù)大幅提高，從而完成了本發(fā)明。

即，本發(fā)明提供以下的（1）～（9）。

（1）熱電轉(zhuǎn)換材料，其是在包含具有微孔的嵌段共聚物的嵌段共聚物基板上形成有熱電半導(dǎo)體層的熱電轉(zhuǎn)換材料，其特征在于，前述嵌段共聚物由聚合物單元（A）與聚合物單元（B）構(gòu)成，所述聚合物單元（A）包含均聚物的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度為50℃以上的單體，所述聚合物單元（B）包含共軛二烯系聚合物。

（2）上述（1）所述的熱電轉(zhuǎn)換材料，其中，前述聚合物單元（A）包含聚苯乙烯。

（3）上述（1）或（2）所述的熱電轉(zhuǎn)換材料，其中，前述聚合物單元（B）包含聚異戊二烯。

（4）上述（1）～（3）中任一項(xiàng)所述的熱電轉(zhuǎn)換材料，其中，前述嵌段共聚物中的前述聚合物單元（A）的數(shù)均分子量為500～500000，前述聚合物單元（B）的數(shù)均分子量為500～500000，并且前述聚合物單元（B）的含量為1～40質(zhì)量%。

（5）上述（1）～（4）中任一項(xiàng)所述的熱電轉(zhuǎn)換材料，其中，前述微孔的深度為5～1000nm、平均直徑為5～1000nm。

（6）上述（1）～（5）中任一項(xiàng)所述的熱電轉(zhuǎn)換材料，其中，前述熱電半導(dǎo)體層的膜厚為10～500nm。

（7）上述（1）～（6）中任一項(xiàng)所述的熱電轉(zhuǎn)換材料，其中，前述熱電半導(dǎo)體層是由p型碲化鉍或n型碲化鉍成膜而成。

（8）上述（1）～（7）中任一項(xiàng)所述的熱電轉(zhuǎn)換材料，其中，前述p型碲化鉍為Bi_XTe₃Sb_2-X、且0＜X≤0.6。