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JP2018160541A - Thermoelectric conversion element - Google Patents

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JP2018160541A
JP2018160541A JP2017056575A JP2017056575A JP2018160541A JP 2018160541 A JP2018160541 A JP 2018160541A JP 2017056575 A JP2017056575 A JP 2017056575A JP 2017056575 A JP2017056575 A JP 2017056575A JP 2018160541 A JP2018160541 A JP 2018160541A
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JP
Japan
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thermoelectric conversion
layer
adhesion layer
conversion element
oxygen concentration
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Pending
Application number
JP2017056575A
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Japanese (ja)
Inventor
美里 高橋
Misato Takahashi
美里 高橋
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Original Assignee
Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
Application filed by Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd filed Critical Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority to JP2017056575A priority Critical patent/JP2018160541A/en
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Abstract

【課題】信頼性の高い素子を提供すること。【解決手段】元素L(In、Yb、Eu、Ce、La、Nd、GaおよびSrからなる群から選ばれる1つ以上の元素を表す)、元素M(Co、Rh、Ir、Fe、Ni、Pt、Pd、RuおよびOsからなる群から選ばれる1つ以上の元素を表す)、および元素Pn(Sb、As、P、Te、Sn、Bi、Ge、SeおよびSiからなる群から選ばれる1つ以上の元素を表す)を含むスクッテルダイト型の材料で構成される熱電変換部材と、前記熱電変換部材の上面および底面の少なくとも一方に配された前記元素Lと酸素元素とを含むL層と、前記L層上に配された元素Q(Ti、Mo、Co、Taからなる群から選ばれる1つ以上の元素を表す)を含む密着層と、を備え、前記L層の平均酸素濃度は、前記密着層の平均酸素濃度よりも大である、熱電変換素子。【選択図】図1An object of the present invention is to provide a highly reliable device. The element L (represents one or more elements selected from the group consisting of In, Yb, Eu, Ce, La, Nd, Ga and Sr), the element M (Co, Rh, Ir, Fe, Ni, representing one or more elements selected from the group consisting of Pt, Pd, Ru and Os), and the element Pn (representing one or more elements selected from the group consisting of Sb, As, P, Te, Sn, Bi, Ge, Se and Si) a thermoelectric conversion member composed of a skutterudite-type material containing one or more elements), and an L layer containing the element L and an oxygen element disposed on at least one of a top surface and a bottom surface of the thermoelectric conversion member. and an adhesion layer containing an element Q (representing one or more elements selected from the group consisting of Ti, Mo, Co, and Ta) arranged on the L layer, wherein the average oxygen concentration of the L layer is higher than the average oxygen concentration of the adhesion layer, the thermoelectric conversion element. [Selection drawing] Fig. 1

Description

本開示は熱電変換素子およびその製造方法に関する。   The present disclosure relates to a thermoelectric conversion element and a manufacturing method thereof.

熱電変換材料およびそれを用いた熱電変換モジュールは、熱と電力を変換するデバイスとして冷却又は発電用途に利用されている。例えば熱電変換材料に直流電流を流すと一方の面から他方の面に熱移動が起こり、吸熱面と発熱面が発生する。この現象は、ペルチェ効果と称されるものであり、熱電変換材料をモジュール化して吸熱面を冷却したい対象に接触させることで、可動部を設けることなく、対象を冷却することが可能となる。一方で、熱電変換材料の両端に温度差を与えるとそれに比例した起電圧が生じる。この現象は、ゼーベック効果と称されるものである。例えば、余剰の熱エネルギーを廃熱している対象に、モジュールの一方の面を接触させ、他方の面を空冷や水冷により冷却することで、熱エネルギーを電気エネルギーに変換することが可能となる。つまり、廃熱エネルギーを電気エネルギーとして回収することができる。このゼーベック効果を利用した熱電変換モジュールは、発電デバイスとして近年注目されており、熱電変換モジュールの新たな利用方法として開発が活発化している。   Thermoelectric conversion materials and thermoelectric conversion modules using the same are used in cooling or power generation applications as devices that convert heat and power. For example, when a direct current is passed through the thermoelectric conversion material, heat transfer occurs from one surface to the other surface, and an endothermic surface and a heat generating surface are generated. This phenomenon is called the Peltier effect, and the object can be cooled without providing a movable part by modularizing the thermoelectric conversion material and bringing the endothermic surface into contact with the object to be cooled. On the other hand, when a temperature difference is given to both ends of the thermoelectric conversion material, an electromotive voltage proportional to the temperature difference is generated. This phenomenon is called the Seebeck effect. For example, it is possible to convert thermal energy into electrical energy by bringing one surface of the module into contact with a target that is waste heat of excess heat energy and cooling the other surface by air cooling or water cooling. That is, waste heat energy can be recovered as electric energy. Thermoelectric conversion modules using the Seebeck effect have been attracting attention as power generation devices in recent years, and development has become active as a new method for using thermoelectric conversion modules.

上記熱電変換現象を効果的に発生させる材料として最も知られているのが、ビスマス−テルル系材料である。ビスマス−テルル系材料を利用したモジュールは、ペルチェ効果を利用した冷却用途で既に実用化されており、光通信向けのレーザダイオードの温度調整用途等にも用いられている。このため、発電用途でもビスマス−テルル系材料を用いることが検討されている。ただし、熱電変換材料(ビスマス−テルル系材料)による発電効率は温度依存性を有するため、発電用途での普及には至っていない。   A bismuth-tellurium-based material is most known as a material that effectively generates the thermoelectric conversion phenomenon. Modules using bismuth-tellurium-based materials have already been put into practical use for cooling applications utilizing the Peltier effect, and are also used for laser diode temperature adjustment applications for optical communications. For this reason, the use of bismuth-tellurium-based materials for power generation is also being studied. However, since the power generation efficiency of the thermoelectric conversion material (bismuth-tellurium-based material) has temperature dependence, it has not been widely used in power generation applications.

この点について詳しく説明する。熱電変換材料の特性を表す物性値として、ゼーベック係数S(単位:V/K)がある。これは温度差に伴う起電圧の大きさを表す数値であり、単位温度差あたりの電圧を表す数値である。このゼーベック係数は熱電変換材料によって正または負の値をとる。これは熱電変換材料内のキャリアがホール(正孔)であるか電子であるかによって定まり、ゼーベック係数が正の値となる場合にはP型、負の値となる場合はN型と称するのが一般的である。熱電変換材料の物性を表す別の物性値としては、電気抵抗率ρ(単位:Ω・m)もある。ゼーベック効果に伴う起電圧が発生した際には熱電変換材料に電気が流れるが、発電用途において取り出せる電力はこの電圧と電流との積に比例する。したがって、電気抵抗率が低いと、取り出せる電力が大きくなるということになる。つまり、直接的には上記2つの物性値が熱電変換材料の発電能力を左右することになり、以下の式(1)で算出されるパワーファクターPF(単位:W/mK)(以下、
単に「PF」とも称する)という数値で表される。
This point will be described in detail. As a physical property value representing the characteristics of the thermoelectric conversion material, there is a Seebeck coefficient S (unit: V / K). This is a numerical value that represents the magnitude of the electromotive voltage associated with the temperature difference, and is a numerical value that represents the voltage per unit temperature difference. This Seebeck coefficient takes a positive or negative value depending on the thermoelectric conversion material. This is determined depending on whether the carrier in the thermoelectric conversion material is a hole or an electron. When the Seebeck coefficient is a positive value, it is called P-type, and when it is negative, it is called N-type. Is common. Another physical property value representing the physical properties of the thermoelectric conversion material is electrical resistivity ρ (unit: Ω · m). When an electromotive voltage associated with the Seebeck effect is generated, electricity flows through the thermoelectric conversion material, but the electric power that can be extracted in the power generation application is proportional to the product of this voltage and current. Therefore, when the electrical resistivity is low, the electric power that can be extracted increases. That is, the two physical property values directly affect the power generation capacity of the thermoelectric conversion material, and the power factor PF (unit: W / mK 2 ) (hereinafter, referred to as “equation (1)”)
It is simply expressed as a numerical value “PF”).

また直接的に発電に作用する物性値ではないが、熱伝導率κ(単位:W/m・K)も熱電変換材料の特性を表す値である。これは一定の熱エネルギーに対してゼーベック効果を起こそうとするとき、熱電変換材料の熱伝導率が大きすぎると材料内での温度差が発生しにくくなる。このため、熱伝導率が低い材料の方が温度差を大きくすることができ、結果的に発電量を上げることが出来る。ゼーベック係数Sと電気抵抗率ρ、熱伝導率κを合わせた指標として、以下の式(2)で表される無次元性能指数ZTがある。   Further, although it is not a physical property value that directly affects power generation, the thermal conductivity κ (unit: W / m · K) is also a value that represents the characteristics of the thermoelectric conversion material. This is because when the Seebeck effect is caused with respect to a certain thermal energy, if the thermal conductivity of the thermoelectric conversion material is too large, a temperature difference in the material hardly occurs. For this reason, a material having a low thermal conductivity can increase the temperature difference, and as a result, the amount of power generation can be increased. As an index combining the Seebeck coefficient S, the electrical resistivity ρ, and the thermal conductivity κ, there is a dimensionless figure of merit ZT represented by the following formula (2).

上記無次元性能指数ZTに絶対温度T(K)が含まれるのは、それぞれの数値が温度依存性を持つためである。しかしながら前述の通り、発電量そのものを表すのはPFであるため、ZTは熱電変換性能を表す目安として用いられている。すなわち、熱伝導率κが極端に小さい場合に、ZTが大きな値を示す場合があるが、PFも同時に大きくないと発電量が大きくならない。例えば、ビスマス−テルル系材料は、PFが最も高くなるのが常温付近であり、温度が高くなるにつれ低下する傾向がある。したがって、ビスマス−テルル形材料は、高温での使用には適していない。   The reason why the absolute temperature T (K) is included in the dimensionless figure of merit ZT is that each numerical value has temperature dependency. However, as described above, since PF represents the power generation amount itself, ZT is used as a standard representing the thermoelectric conversion performance. That is, when the thermal conductivity κ is extremely small, ZT may show a large value, but the power generation amount does not increase unless PF is also large at the same time. For example, bismuth-tellurium-based materials have the highest PF around room temperature, and tend to decrease as the temperature increases. Bismuth-tellurium type materials are therefore not suitable for use at high temperatures.

ここで、熱電変換材料を用いて大きな電力を得たい場合には、温度差を大きく取ることが必要である。近年、プラントや自動車などの原動機から排出される300℃付近の熱を電気に変換し、有効活用する試みが行われている。しかしながら、ビスマス−テルル系材料では、上述のように、温度差を大きくして発電量を大きくするという狙いに対して、温度上昇に伴ってPFが低下してしまう。つまり、その温度依存性から発電量を大きくすることが困難であり、新しい材料の検討が不可欠である。   Here, when a large electric power is to be obtained using the thermoelectric conversion material, it is necessary to make a large temperature difference. In recent years, attempts have been made to convert heat from about 300 ° C. discharged from prime movers such as plants and automobiles into electricity for effective use. However, in the bismuth-tellurium-based material, as described above, the PF decreases as the temperature rises against the aim of increasing the temperature difference and increasing the power generation amount. In other words, it is difficult to increase the amount of power generation due to its temperature dependence, and it is essential to study new materials.

300℃を超える領域で熱電変換部材を使用するためには、発電性能のみならず、熱電変換モジュールの品質を保持することが困難であるという問題がある。すなわち、高温になるほど、熱電変換素子と電極とを接合する接合層への素子材料の拡散が進行する。接合層内の素子材料の拡散が進行した部位では、機械強度の低下や、電気抵抗率の上昇がみられ、モジュール全体としての発電効率の低下に繋がる。   In order to use the thermoelectric conversion member in a region exceeding 300 ° C., there is a problem that it is difficult to maintain not only the power generation performance but also the quality of the thermoelectric conversion module. That is, the higher the temperature is, the more the element material diffuses into the bonding layer that bonds the thermoelectric conversion element and the electrode. In the part where the diffusion of the element material in the bonding layer proceeds, the mechanical strength decreases and the electrical resistivity increases, leading to a decrease in power generation efficiency as a whole module.

ここで特許文献1は、熱電変換モジュールに関するものである。当該文献には、熱電変換素子(熱電変換部材)と電極との接合面における金属元素の拡散や酸化を、拡散防止層を配置することで抑制することが示されている。図6に特許文献1に開示された熱電変換モジュールの熱電変換素子と、その接合部の概略断面図を示す。図6に示すように、当該熱電変換モジュールでは、P型熱電変換素子101およびN型熱電変換素子102が、半田層106を介して電極保護層107に覆われた高温側電極108に接合されている。またそれぞれの熱電変換素子101および102と半田層106との間には金属拡散を防止するための第1の拡散防止層103および第2の拡散防止層104が配置されており、さらに半田層106と接合するための半田接合層105も配置されている。そして、特許文献1には、このような構成にすることによって熱電変換素子101および102の接合部における金属拡散および酸化を抑制することができると記載されている。   Here, Patent Document 1 relates to a thermoelectric conversion module. This document shows that the diffusion and oxidation of a metal element on a joint surface between a thermoelectric conversion element (thermoelectric conversion member) and an electrode are suppressed by disposing a diffusion prevention layer. FIG. 6 shows a schematic cross-sectional view of the thermoelectric conversion element of the thermoelectric conversion module disclosed in Patent Document 1 and its joint. As shown in FIG. 6, in the thermoelectric conversion module, the P-type thermoelectric conversion element 101 and the N-type thermoelectric conversion element 102 are joined to the high temperature side electrode 108 covered with the electrode protective layer 107 via the solder layer 106. Yes. Further, a first diffusion prevention layer 103 and a second diffusion prevention layer 104 for preventing metal diffusion are disposed between the thermoelectric conversion elements 101 and 102 and the solder layer 106, and the solder layer 106. A solder bonding layer 105 for bonding to is also disposed. Patent Document 1 describes that by adopting such a configuration, metal diffusion and oxidation at the joint portion of thermoelectric conversion elements 101 and 102 can be suppressed.

国際公開第2015/030218号International Publication No. 2015/030218

しかしながら、特許文献1の技術には次のような課題がある。特許文献1では、熱電変換素子を構成する材料としてビスマス−テルル系材料を使用しており、その使用温度範囲は250〜300℃程度である。また近年、コバルト−アンチモン系の材料を熱電変換素子の構成材料とすることも検討されている。コバルト−アンチモン系の材料は300℃以上の温度域で高性能を発揮する。ただし、その構成元素の1つであるSbは、拡散係数が非常に高いという特徴を有する。さらに、金属拡散は一般的に環境温度が高いほど、進行が速まる。つまり、特許文献1の熱電変換モジュールや、従来検討されている熱電変換モジュールでは、300℃以上の高温域における発電効率が十分でなかったり、素子材料の拡散防止が十分に考慮されておらず、電極との接合層に素子材料が金属拡散したりして、熱電変換特性を高めることができなかった。   However, the technique of Patent Document 1 has the following problems. In Patent Document 1, a bismuth-tellurium-based material is used as a material constituting the thermoelectric conversion element, and the use temperature range is about 250 to 300 ° C. In recent years, it has been studied to use a cobalt-antimony material as a constituent material of a thermoelectric conversion element. Cobalt-antimony materials exhibit high performance in a temperature range of 300 ° C. or higher. However, one of the constituent elements, Sb, has a feature that the diffusion coefficient is very high. Furthermore, metal diffusion generally proceeds faster as the ambient temperature is higher. That is, in the thermoelectric conversion module of Patent Document 1 and the thermoelectric conversion module that has been studied in the past, the power generation efficiency in a high temperature region of 300 ° C. or higher is not sufficient, or diffusion prevention of element material is not sufficiently considered, Thermoelectric conversion characteristics could not be improved due to metal diffusion of the element material into the bonding layer with the electrode.

本開示は、上記の様な課題を鑑みなされたものであり、高温における接合層への素子材料の金属拡散によってモジュールの発電効率が低下することを抑制した、信頼性の高い熱電変換素子を提供することを目的とする。   The present disclosure has been made in view of the above-described problems, and provides a highly reliable thermoelectric conversion element that suppresses a decrease in power generation efficiency of a module due to metal diffusion of an element material into a bonding layer at a high temperature. The purpose is to do.

上記目的を達成するために、本開示の熱電変換素子は、下記の構成であることを特徴とする。元素L(In、Yb、Eu、Ce、La、Nd、GaおよびSrからなる群から選ばれる1つ以上の元素を表す)、元素M(Co、Rh、Ir、Fe、Ni、Pt、Pd、RuおよびOsからなる群から選ばれる1つ以上の元素を表す)、および元素Pn(Sb、As、P、Te、Sn、Bi、Ge、SeおよびSiからなる群から選ばれる1つ以上の元素を表す)を含むスクッテルダイト型の材料で構成される熱電変換部材と、前記熱電変換部材の上面および底面の少なくとも一方に配された、前記元素Lと酸素とを含むL層と、前記L層上に配された、元素Q(Ti、Mo、Co、Taからなる群から選ばれる1つ以上の元素を表す)を含む密着層と、を備え、前記L層の平均酸素濃度は、前記密着層の平均酸素濃度よりも大である。   In order to achieve the above object, a thermoelectric conversion element of the present disclosure has the following configuration. Element L (represents one or more elements selected from the group consisting of In, Yb, Eu, Ce, La, Nd, Ga and Sr), element M (Co, Rh, Ir, Fe, Ni, Pt, Pd, One or more elements selected from the group consisting of Ru and Os), and one or more elements selected from the group consisting of elements Pn (Sb, As, P, Te, Sn, Bi, Ge, Se and Si) And an L layer containing the element L and oxygen disposed on at least one of the top and bottom surfaces of the thermoelectric conversion member, and the L An adhesion layer including an element Q (representing one or more elements selected from the group consisting of Ti, Mo, Co, and Ta) disposed on the layer, and the average oxygen concentration of the L layer is It is larger than the average oxygen concentration of the adhesion layer.

以上のように、本開示は、高温で使用した際にも熱電変換特性を保持することの出来る熱電変換素子を提供する。   As described above, the present disclosure provides a thermoelectric conversion element that can retain thermoelectric conversion characteristics even when used at high temperatures.

本開示の実施の形態の熱電変換素子の概略断面図Schematic sectional view of a thermoelectric conversion element according to an embodiment of the present disclosure 図2Aは、本開示の実施の形態の素子断面の電子顕微鏡像、図2Bは、密着層の元素分析スペクトル、図2Cは、金属層の元素分析スペクトル、図2Dは、熱電変換部材の元素分析スペクトル、図2Eは、図2Aの各点における原子数濃度2A is an electron microscopic image of a cross section of an element according to an embodiment of the present disclosure, FIG. 2B is an elemental analysis spectrum of an adhesion layer, FIG. 2C is an elemental analysis spectrum of a metal layer, and FIG. 2D is an elemental analysis of a thermoelectric conversion member. Spectrum, FIG. 2E is the atomic number concentration at each point in FIG. 2A 図3Aは、本開示の実施の形態の製造方法において、熱電変換材料を溶融する工程を示す概略図、図3Bは、当該製造方法において、絶縁体に溶融した熱電変換材料を充填する工程を示す概略図、図3Cは、当該製造方法において、絶縁体および熱電変換部材を切断する工程を示す概略図、図3Dは、当該製造方法において、熱電変換部材に密着層を形成する工程を示す概略図FIG. 3A is a schematic diagram illustrating a process of melting the thermoelectric conversion material in the manufacturing method according to the embodiment of the present disclosure, and FIG. 3B illustrates a process of filling the insulator with the molten thermoelectric conversion material in the manufacturing method. FIG. 3C is a schematic diagram illustrating a step of cutting the insulator and the thermoelectric conversion member in the manufacturing method, and FIG. 3D is a schematic diagram illustrating a step of forming an adhesion layer on the thermoelectric conversion member in the manufacturing method. 本開示の実施の形態における熱電変換モジュールの概略断面図Schematic sectional view of a thermoelectric conversion module according to an embodiment of the present disclosure 図5Aは本開示の実施の形態の金属層が存在しない素子の耐久試験後の断面の電子顕微鏡像、図5Bは、図5Aの各点における原子数濃度、図5Cは本開示の実施の形態の金属層が存在する素子の耐久試験後の断面の電子顕微鏡像、図5Dは図5Cの各点における原子数濃度5A is an electron microscope image of a cross section after a durability test of an element in which the metal layer of the embodiment of the present disclosure does not exist, FIG. 5B is an atomic number concentration at each point in FIG. 5A, and FIG. 5C is an embodiment of the present disclosure. 5D is an electron microscopic image of a cross-section after an endurance test of an element having a metal layer of FIG. 従来の熱電変換素子の概略断面図Schematic sectional view of a conventional thermoelectric conversion element

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。   Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described with reference to the drawings.

(熱電変換素子)
図1は本開示の実施の形態における熱電変換素子1を示す概略断面図である。本実施の形態では、熱電変換部材のうち、密着層や接合部材等を介して電極と接合する両端面をそれぞれ上面および底面と称する。また、上面および底面に挟まれた領域の外周を側面と称する。図1に示すように、本実施の形態の熱電変換素子1は、熱電変換部材2と、当該熱電変換部材2の側面を覆う絶縁体4と、円柱状の熱電変換部材2の上面および下面に配置された金属層3と、金属層3の外側に配置された密着層5と、を有する。なお、絶縁体4を設けなくとも、拡散防止の効果を得ることは可能である。ただし、酸化劣化抑制の観点から、絶縁体4を設けたほうがよい。なお、本実施の形態では、熱電変換部材2が円柱状であり、絶縁体4がその側面を覆うものとしているが、熱電変換部材2および絶縁体4の形状は特に制限されない。例えば熱電変換部材2は、角柱状等、任意の形状とすることができる。ただし、熱電変換部材2がいずれの形状を有する場合にも、密着層5が配置される、熱電変換部材2の上面および底面以外の面が、絶縁体4で覆われていることが、熱電変換部材2の酸化劣化抑制の観点から好ましい。
(Thermoelectric conversion element)
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing a thermoelectric conversion element 1 according to an embodiment of the present disclosure. In the present embodiment, among the thermoelectric conversion members, both end surfaces that are bonded to the electrode via an adhesion layer, a bonding member, or the like are referred to as an upper surface and a bottom surface, respectively. Moreover, the outer periphery of the area | region pinched | interposed into the upper surface and the bottom face is called a side surface. As shown in FIG. 1, the thermoelectric conversion element 1 of the present embodiment includes a thermoelectric conversion member 2, an insulator 4 that covers the side surface of the thermoelectric conversion member 2, and an upper surface and a lower surface of a cylindrical thermoelectric conversion member 2. The metal layer 3 is disposed, and the adhesion layer 5 is disposed outside the metal layer 3. Even if the insulator 4 is not provided, it is possible to obtain the effect of preventing diffusion. However, it is better to provide the insulator 4 from the viewpoint of suppressing oxidation deterioration. In the present embodiment, the thermoelectric conversion member 2 has a cylindrical shape and the insulator 4 covers the side surfaces thereof, but the shapes of the thermoelectric conversion member 2 and the insulator 4 are not particularly limited. For example, the thermoelectric conversion member 2 can have an arbitrary shape such as a prismatic shape. However, regardless of the shape of the thermoelectric conversion member 2, the surface other than the top surface and the bottom surface of the thermoelectric conversion member 2 on which the adhesion layer 5 is disposed is covered with the insulator 4. It is preferable from the viewpoint of suppressing oxidation deterioration of the member 2.

ここで、上記熱電変換部材2は、特定の元素を含むスクッテルダイト型の材料から構成される。以下、スクッテルダイト型の材料について説明する。300℃を超える温度域に適する熱電変換材料として、スクッテルダイト型と呼ばれる結晶構造を有する材料がある。スクッテルダイト型の材料は、短周期表におけるVIII族元素MとIVB族元素、VB族元素、およびVIB族元素から選ばれるPnとを含み、一般式MPn12で表される組成の立方晶系の固溶体である。上記一般式におけるMとしてはCo、Rh、Ir、Fe、Ni、Pt、Pd、Ru、およびOsなどの元素が挙げられ、上記一般式におけるPnとしてはSb、As、P、Te、Sn、Bi、Ge、Se、およびSiなどの元素が挙げられる。 Here, the thermoelectric conversion member 2 is composed of a skutterudite-type material containing a specific element. Hereinafter, the skutterudite type material will be described. As a thermoelectric conversion material suitable for a temperature range exceeding 300 ° C., there is a material having a crystal structure called a skutterudite type. The skutterudite-type material includes a group VIII element M and a Pn selected from a group IVB element, a group VB element, and a group VIB element in the short periodic table, and has a composition represented by the general formula M 4 Pn 12 It is a crystalline solid solution. Examples of M in the above general formula include elements such as Co, Rh, Ir, Fe, Ni, Pt, Pd, Ru, and Os. Examples of Pn in the above general formula include Sb, As, P, Te, Sn, Bi. , Ge, Se, and Si.

また、スクッテルダイト型の材料の結晶格子には、MPn12当たり1個の割合で空格子が存在するが、この空格子の全部或いは一部に、La、Ce、Ybなどの希土類元素や、Ba、Caなどのアルカリ土類元素、TlやIn、Snなどの土類金属元素を充填することができる。これらはフィルドスクッテルダイトと呼ばれ、スクッテルダイト型の材料に含まれる。フィルドスクッテルダイト型の材料は、一般式LPn12材料(Lは空格子に導入された前記元素を表し、0<x≦1である)で表される。 Further, the crystal lattice of the skutterudite type material has a vacancy at a rate of one per M 4 Pn 12 , and a rare earth element such as La, Ce, or Yb is present in all or part of the vacancy. Or, alkaline earth elements such as Ba and Ca, and earth metal elements such as Tl, In, and Sn can be filled. These are called filled skutterudites and are included in skutterudite-type materials. The filled skutterudite type material is represented by a general formula L x M 4 Pn 12 material (L x represents the element introduced into the vacancies, and 0 <x ≦ 1).

従来、スクッテルダイト型の熱電変換材料として、例えば、コバルトーアンチモン系の材料が知られており、当該材料は、組成式はCoSb12で表される。CoSb12単体は、N型の熱電変換材料であり良好なゼーベック係数を示す。しかし電気抵抗率は例えば常温で約1×10−4と高く、熱伝導率も常温で約10W/mKと高い。このため、上述の熱電変換材料の発電能力を示す指数であるPFおよびZTが、共に低い。しかしながら、当該結晶は、前述のように、結晶格子内に比較的大きな空隙を持ち、その他の元素を添加する(フィルドスクッテルダイト型とする)ことで熱電変換特性が向上する。例えば、上記CoSb12に、Yb(イッテルビウム)のような希土類元素を添加すると、電気抵抗率および熱伝導率を低減することができる。特に熱伝導率に関しては、別元素の存在で効果的に低減する。このような効果はラットリング効果と呼ばれている。これは添加した元素(例えばYb)が基本骨格CoSb12の空隙に入りこみ、CoSb12とは独立した熱振動を起こして、基本骨格であるCoSb12のフォノン(格子振動)を抑制するためである。 Conventionally, as a skutterudite-type thermoelectric conversion material, for example, a cobalt-antimony-based material is known, and the composition formula of the material is represented by Co 4 Sb 12 . Co 4 Sb 12 alone is an N-type thermoelectric conversion material and exhibits a good Seebeck coefficient. However, the electrical resistivity is as high as about 1 × 10 −4 at room temperature, and the thermal conductivity is as high as about 10 W / mK at room temperature. For this reason, both PF and ZT, which are indexes indicating the power generation capability of the thermoelectric conversion material, are low. However, as described above, the crystal has a relatively large void in the crystal lattice, and the thermoelectric conversion characteristics are improved by adding other elements (filled skutterudite type). For example, when a rare earth element such as Yb (ytterbium) is added to the Co 4 Sb 12 , the electrical resistivity and the thermal conductivity can be reduced. In particular, the thermal conductivity is effectively reduced by the presence of another element. Such an effect is called a rattling effect. This is because the added element (for example, Yb) enters the voids of the basic skeleton Co 4 Sb 12 and causes thermal vibration independent of the Co 4 Sb 12 to cause phonons (lattice vibrations) of the basic skeleton Co 4 Sb 12. It is for suppressing.

ここで、本実施の形態の熱電変換素子1の熱電変換部材2は、元素L(In、Yb、Eu、Ce、La、Nd、GaおよびSrからなる群から選ばれる1つ以上の元素を表す)、元素M(Co、Rh、Ir、Fe、Ni、Pt、Pd、RuおよびOsからなる群から選ばれる1つ以上の元素を表す)、および元素Pn(Sb、As、P、Te、Sn、Bi、Ge、SeおよびSiからなる群から選ばれる1つ以上の元素を表す)を含むスクッテルダイト型の材料から構成される。以下、元素LがInであり、元素MがCoであり、元素PnがSbである場合、すなわち熱電変換部材2が、組成式CoSb12で表される材料にInを添加したフィルドスクッテルダイト型の材料から構成される場合を例に、詳細に説明する。 Here, the thermoelectric conversion member 2 of the thermoelectric conversion element 1 of the present embodiment represents one or more elements selected from the group consisting of the elements L (In, Yb, Eu, Ce, La, Nd, Ga, and Sr). ), Element M (representing one or more elements selected from the group consisting of Co, Rh, Ir, Fe, Ni, Pt, Pd, Ru and Os), and element Pn (Sb, As, P, Te, Sn) , Representing one or more elements selected from the group consisting of Bi, Ge, Se and Si). Hereinafter, when the element L is In, the element M is Co, and the element Pn is Sb, that is, the thermoelectric conversion member 2 is a filled skutter in which In is added to a material represented by the composition formula Co 4 Sb 12 This will be described in detail by taking as an example a case of being made of a die-type material.

前述のように、本実施の形態の熱電変換素子1は、熱電変換部材2と、当該熱電変換部材2の両端面に形成された金属層3と、熱電変換部材2と金属層3の側面に形成された絶縁体4と、金属層3の上面および絶縁体4の端面にかけて形成された密着層5と、を有する。より詳細には、熱電変換部材2は柱状であり、その側面が絶縁体4によって覆われる。そして、熱電変換部材2の端面(上面および底面)は、絶縁体4によって覆われない。これらの端面に金属層3および密着層5が配される。   As described above, the thermoelectric conversion element 1 of the present embodiment includes the thermoelectric conversion member 2, the metal layers 3 formed on both end surfaces of the thermoelectric conversion member 2, and the side surfaces of the thermoelectric conversion member 2 and the metal layer 3. The formed insulator 4 and the adhesion layer 5 formed over the upper surface of the metal layer 3 and the end surface of the insulator 4 are included. More specifically, the thermoelectric conversion member 2 has a column shape, and its side surface is covered with the insulator 4. The end surfaces (upper surface and bottom surface) of the thermoelectric conversion member 2 are not covered with the insulator 4. The metal layer 3 and the adhesion layer 5 are disposed on these end faces.

ここで、金属層3は、元素Lおよび酸素元素を含む(本明細書では、金属層3を「L層」とも称する)。金属層3は、スクッテルダイト型材料から構成された熱電変換部材2を含む熱電変換素子1を、高温環境下で使用する場合の品質の確保において、高い効果を発揮する。特に、高温下において、熱電変換部材2を構成する素子材料の金属拡散を抑制する効果を有する。ここで、金属層3に含まれる元素Lと、熱電変換部材2におけるフィルドスクッテルダイト型の材料における元素Lとは、通常同一である。したがって、本実施の形態では、熱電変換部材2における元素LがInであるから、金属層3は、Inを含む酸化物で構成される。また、金属層3における平均酸素濃度は、後述するように、25atm%以上65atm%以下であることが望ましい。金属層3の平均酸素濃度は、後述するエネルギー分散型X線分光法等による分析によって特定することができる。   Here, the metal layer 3 includes an element L and an oxygen element (in this specification, the metal layer 3 is also referred to as an “L layer”). The metal layer 3 exhibits a high effect in ensuring quality when the thermoelectric conversion element 1 including the thermoelectric conversion member 2 made of a skutterudite type material is used in a high temperature environment. In particular, it has an effect of suppressing metal diffusion of the element material constituting the thermoelectric conversion member 2 at a high temperature. Here, the element L contained in the metal layer 3 and the element L in the filled skutterudite type material in the thermoelectric conversion member 2 are usually the same. Therefore, in the present embodiment, since the element L in the thermoelectric conversion member 2 is In, the metal layer 3 is composed of an oxide containing In. Further, the average oxygen concentration in the metal layer 3 is desirably 25 atm% or more and 65 atm% or less, as will be described later. The average oxygen concentration of the metal layer 3 can be specified by analysis by energy dispersive X-ray spectroscopy described later.

また絶縁体4は、例えば石英(ガラス)やシリカガラス、またはアルミナのようなセラミックなど、耐熱性の高い材料からなる部材とすることができるが、特に石英(ガラス)からなることが好ましい。絶縁体4の厚さは、0.2mm以上5.0mm以下であることが好ましい。絶縁体4の厚みが薄いと、絶縁体4を配置することによって得られる機械的強度が低下する。一方、絶縁体4の厚みが厚すぎると、熱電変換素子1の体積に対する、熱電変換部材2の体積の割合が相対的に下がる。その結果、電気抵抗が高くなり、発電量の低下につながる。   The insulator 4 can be a member made of a material having high heat resistance such as quartz (glass), silica glass, or ceramic such as alumina, but is preferably made of quartz (glass). The thickness of the insulator 4 is preferably 0.2 mm or greater and 5.0 mm or less. When the insulator 4 is thin, the mechanical strength obtained by disposing the insulator 4 is lowered. On the other hand, if the thickness of the insulator 4 is too thick, the ratio of the volume of the thermoelectric conversion member 2 to the volume of the thermoelectric conversion element 1 is relatively lowered. As a result, the electrical resistance increases, leading to a decrease in the amount of power generation.

密着層5は、熱電変換素子1を高温にさらすことによって発生する金属拡散を抑制するための金属拡散防止膜、および熱電変換素子1を配線基板に実装するための接合膜としての役割を果たす。このように密着層5には、金属拡散抑制と接合という2つの役割が要求されるため、金属拡散を抑制するための膜と、配線基板に接合するための膜からなる2層、もしくは3層以上の膜から構成されることが好ましい。なお、密着層5が複数の膜からなる場合、金属層3と接する面には、金属拡散を抑制するための膜が配置される。   The adhesion layer 5 serves as a metal diffusion prevention film for suppressing metal diffusion generated by exposing the thermoelectric conversion element 1 to a high temperature, and a bonding film for mounting the thermoelectric conversion element 1 on a wiring board. As described above, the adhesion layer 5 is required to have two roles of metal diffusion suppression and bonding. Therefore, two layers or three layers including a film for suppressing metal diffusion and a film for bonding to the wiring board. It is preferable to be comprised from the above films | membranes. When the adhesion layer 5 is composed of a plurality of films, a film for suppressing metal diffusion is disposed on the surface in contact with the metal layer 3.

金属拡散を抑制するための膜は、元素Q(Ti、Mo、Co、およびTaからなる群から選ばれる1つ以上の元素)を含むことが好ましく、当該膜は、例えばこれらの金属のみから構成されていてもよく、これらの酸化物や窒化物から構成されていてもよい。なかでも、Tiは酸素と反応しやすい性質を有することから、特に好ましい。密着層5がTiを含むと、後述するように、密着層5の形成時にTiが金属層3から酸素を奪いやすく、所望の機械強度と電気伝導率を有する密着層5が得られやすくなる。以下、密着層5がTiを含むものとして説明する。一方、配線基板に接合するための膜としては、AgやAu、Cuなどの金属を用いることが出来る。各膜の厚みは、熱電変換素子1の形状や、要求される性能に応じて適宜選択することができる。   The film for suppressing metal diffusion preferably contains the element Q (one or more elements selected from the group consisting of Ti, Mo, Co, and Ta), and the film is made of, for example, only these metals It may be made of these oxides and nitrides. Among these, Ti is particularly preferable because it has a property of easily reacting with oxygen. When the adhesion layer 5 contains Ti, as will be described later, Ti easily takes oxygen from the metal layer 3 when the adhesion layer 5 is formed, and the adhesion layer 5 having desired mechanical strength and electrical conductivity is easily obtained. Hereinafter, the adhesion layer 5 will be described as including Ti. On the other hand, metals such as Ag, Au, and Cu can be used as the film for bonding to the wiring board. The thickness of each film can be appropriately selected according to the shape of the thermoelectric conversion element 1 and the required performance.

なお、密着層5の平均酸素濃度は、金属層3の平均酸素濃度より低いものとされる。また、密着層5の平均酸素濃度は、後述するように、0atm%以上40atm%以下であることが好ましい。密着層5の平均酸素濃度も、後述するエネルギー分散型X線分光法等による分析によって特定することができる。また、密着層5内における酸素濃度は、厚み方向に勾配を有していることが好ましく、金属層3側の表面(「第1面」とも称する)における酸素濃度が、接合部等と接合する側の面(「第2面」とも称する)の酸素濃度より高いことが好ましい。酸素濃度の勾配の有無や、第1面と第2面との酸素濃度差も、エネルギー分散型X線分光法等による分析によって確認することができる。   The average oxygen concentration of the adhesion layer 5 is lower than the average oxygen concentration of the metal layer 3. The average oxygen concentration of the adhesion layer 5 is preferably 0 atm% or more and 40 atm% or less, as will be described later. The average oxygen concentration of the adhesion layer 5 can also be specified by analysis using energy dispersive X-ray spectroscopy described later. Further, the oxygen concentration in the adhesion layer 5 preferably has a gradient in the thickness direction, and the oxygen concentration on the surface on the metal layer 3 side (also referred to as “first surface”) is bonded to the bonding portion or the like. It is preferably higher than the oxygen concentration on the side surface (also referred to as “second surface”). The presence or absence of an oxygen concentration gradient and the difference in oxygen concentration between the first surface and the second surface can also be confirmed by analysis using energy dispersive X-ray spectroscopy or the like.

ここで、本開示の熱電変換素子1の形状に制限はなく、円柱状や角柱状等、任意の形状とすることができるが、特に円柱状であり、外径φが0.3mm以上10.0mm以下であることが好ましい。これは角柱状などの他の柱状としても、熱電変換素子としての役割は果たすが、円柱状であると、熱電変換素子1を高温にさらした際の応力集中を緩和できるためである。また外径φが0.3mm以下になると熱電変換素子1の絶対的な機械強度が下がりやすく、製造時の取り扱いや、モジュール化した際の強度的な信頼性が低下しやすい。一方、外径φが10.0mm以上になると、単位面積当たりに配置できる素子数が低下する。発電用途に熱電変換モジュールを用いる場合、その電力は、発生する電圧および電流で決まるが、外径が大きな素子を使用すると、素子数が少ないために低電圧・高電流なモジュールになる。これは同一性能の素子であってもモジュールとしての電圧はその素子数で決まり、電流は素子の合計電気抵抗で決まるためである。   Here, there is no restriction | limiting in the shape of the thermoelectric conversion element 1 of this indication, Although it can be set as arbitrary shapes, such as a column shape and a prism shape, it is a column shape especially, and the outer diameter (phi) is 0.3 mm or more and 10. It is preferable that it is 0 mm or less. This is because, although other columnar shapes such as a prismatic shape serve as a thermoelectric conversion element, the cylindrical shape can alleviate stress concentration when the thermoelectric conversion element 1 is exposed to a high temperature. Further, when the outer diameter φ is 0.3 mm or less, the absolute mechanical strength of the thermoelectric conversion element 1 tends to be lowered, and the handling at the time of manufacture and the strength reliability when modularized are likely to be lowered. On the other hand, when the outer diameter φ is 10.0 mm or more, the number of elements that can be arranged per unit area decreases. When a thermoelectric conversion module is used for power generation, the power is determined by the generated voltage and current. However, when an element having a large outer diameter is used, the module has a low voltage and a high current because the number of elements is small. This is because even if the elements have the same performance, the voltage as a module is determined by the number of elements, and the current is determined by the total electric resistance of the elements.

また、熱電変換素子1の高さは、所望の熱電変換モジュールの大きさに合わせて任意に設定できるが、0.3mm以上5.0mm以下であることが好ましい。本実施の形態における「熱電変換素子1の高さ」、とは、熱電変換素子1の軸方向の長さ、つまり密着層5と垂直方向の熱電変換素子1の長さをいう。熱電変換素子1が薄い、つまり熱電変換素子1の高さが低いほど電気抵抗が下がり、発電量としては増加する方向になる。しかしながら、熱電変換素子1の高さが低くなると熱電変換素子1の端面間(両電極間)の温度差がつけにくくなる。このため、電気抵抗が下がり、電流増加分と温度差減少分で発電量を相殺してしまう。一方で、熱電変換素子1が厚すぎると、端面間の温度差はつけやすくなるが、電気抵抗が高くなる。そのため、熱電変換素子1が薄い場合と反対の現象が起こる。そこで、熱電変換素子1の高さは、熱電変換モジュールを設置する温度環境に合わせて設定することが必要である。   Moreover, although the height of the thermoelectric conversion element 1 can be arbitrarily set according to the magnitude | size of a desired thermoelectric conversion module, it is preferable that they are 0.3 mm or more and 5.0 mm or less. The “height of the thermoelectric conversion element 1” in the present embodiment refers to the length of the thermoelectric conversion element 1 in the axial direction, that is, the length of the thermoelectric conversion element 1 perpendicular to the adhesion layer 5. As the thermoelectric conversion element 1 is thinner, that is, the height of the thermoelectric conversion element 1 is lower, the electric resistance is lowered and the amount of power generation is increased. However, when the height of the thermoelectric conversion element 1 is lowered, it becomes difficult to create a temperature difference between the end faces of the thermoelectric conversion element 1 (between both electrodes). For this reason, the electrical resistance is lowered, and the amount of power generation is offset by the increase in current and the decrease in temperature difference. On the other hand, when the thermoelectric conversion element 1 is too thick, a temperature difference between the end faces is easily provided, but the electric resistance is increased. Therefore, the opposite phenomenon occurs when the thermoelectric conversion element 1 is thin. Therefore, it is necessary to set the height of the thermoelectric conversion element 1 according to the temperature environment in which the thermoelectric conversion module is installed.

ここで、図2Aに、後述の方法で実際に作製した本実施の形態の熱電変換素子1において、金属層3が存在することを示す電子顕微鏡像を示す。図2Aは後述の製造方法で作製した熱電変換素子1の中心軸と平行に切断したときの断面を観察したものである。図2Aにおいて、上方に色の濃い層が1層存在している。また、図2Aの中心あたりに境界線が見られ、当該境界線と、色の濃い層との間に色の薄い層が存在している。ここで、図2A中の点(1)〜(5)について、それぞれ元素分析を行ったところ、色の濃い層ではTiおよびOが主に検出された。また、色の薄い層ではInおよびOが主に検出された。図2B、図2C、図2Dにそれぞれ、図2Aの点(2)、点(4)、点(5)における元素分析スペクトルを示す。   Here, FIG. 2A shows an electron microscope image showing that the metal layer 3 is present in the thermoelectric conversion element 1 of the present embodiment actually produced by the method described later. FIG. 2A is an observation of a cross section when cut in parallel with the central axis of the thermoelectric conversion element 1 produced by the manufacturing method described later. In FIG. 2A, there is one dark layer above. Further, a boundary line is seen around the center of FIG. 2A, and a light-colored layer exists between the boundary line and the dark-colored layer. Here, when elemental analysis was performed on each of the points (1) to (5) in FIG. 2A, Ti and O were mainly detected in the dark layer. Further, In and O were mainly detected in the light-colored layer. FIG. 2B, FIG. 2C, and FIG. 2D show elemental analysis spectra at point (2), point (4), and point (5) in FIG. 2A, respectively.

図2B〜図2Dはそれぞれ、エネルギー分散型X線分光法による測定結果である。当該方法では、電子線を対象に照射することで発生する元素特有の特性X線を検出し、これを分光することで元素を同定する。図2B、図2C、図2D中の横軸は、電子線を照射したときの元素特有のエネルギーを表し、元素によってそのピーク位置が変化する。一方、縦軸は検出したエネルギーの強度を表す。なお、図2B〜図2Dで検出されているPtは、SEM観察用の導電性処理剤であり、事前にスパッタリングにより表面に付与された物質である。当該測定結果から明らかなように、図2Aにおける点(2)、点(4)、および点(5)ではそれぞれ組成が異なっている。図2D(点(5))では、CoおよびSbが検出されており、境界線より下の領域が熱電変換部材2であることがわかる。一方、図2B(点(2))では、Tiが検出されており、色の濃い層が密着層5であることがわかる。そして、図2C(点(4))では、InおよびOが検出されており、色の薄い層が金属層3であることがわかる。ここで、金属層3で検出されたInは熱電変換部材2から析出したものであると考えられる。また金属層3に含まれるOはInが空気と触れた際にInが酸素と反応して、その表面が酸化したため検出されたと考えられる。なお、分析機器としては、日立ハイテクノロジー製SU−70走査型電子顕微鏡、およびオックスフォードインスルメント製IncaX−actを用いた。   2B to 2D are measurement results obtained by energy dispersive X-ray spectroscopy, respectively. In this method, characteristic X-rays peculiar to an element generated by irradiating an object with an electron beam are detected, and the element is identified by spectroscopically analyzing it. The horizontal axis in FIGS. 2B, 2C, and 2D represents energy specific to an element when irradiated with an electron beam, and the peak position changes depending on the element. On the other hand, the vertical axis represents the intensity of detected energy. In addition, Pt detected in FIGS. 2B to 2D is a conductive treatment agent for SEM observation, and is a substance previously applied to the surface by sputtering. As is apparent from the measurement results, the composition differs at point (2), point (4), and point (5) in FIG. 2A. In FIG. 2D (point (5)), Co and Sb are detected, and it can be seen that the region below the boundary line is the thermoelectric conversion member 2. On the other hand, in FIG. 2B (point (2)), Ti is detected, and it can be seen that the dark layer is the adhesion layer 5. In FIG. 2C (point (4)), In and O are detected, and it can be seen that the light-colored layer is the metal layer 3. Here, it is considered that In detected in the metal layer 3 is precipitated from the thermoelectric conversion member 2. In addition, it is considered that O contained in the metal layer 3 was detected because In reacted with oxygen when In contacted with air and its surface was oxidized. As analytical instruments, SU-70 scanning electron microscope manufactured by Hitachi High Technology and IncaX-act manufactured by Oxford Instruments were used.

図2Eは、上述のエネルギー分散型X線分光法による測定結果であり、図2E中の縦軸は図2A中の測定箇所(点(1)〜(5))を示しており、横軸は各測定箇所における各元素の原子数濃度を表している。図2E中の酸素の濃度に注目すると、点(1)から点(4)、すなわち密着層5の端面(第2面)から金属層3にかけて、酸素濃度が徐々に高くなっている。これは、金属層3におけるInが析出と同時に空気に触れて酸化したこと、さらにはこの金属層3の上に密着層5をスパッタなどにより形成することで、密着層5中のTiが金属層3から酸素を奪い取り、酸化したこと、が要因として考えられる。なお、密着層5のスパッタ膜は金属層3側から形成され始め、厚みを増していくために、密着層5では、金属層3との界面(第1面)側から密着層5の端面(第2面)側に向かって、酸素濃度が徐々に低くなったと考えられる。   FIG. 2E is a measurement result by the above-mentioned energy dispersive X-ray spectroscopy, and the vertical axis in FIG. 2E indicates the measurement location (points (1) to (5)) in FIG. 2A, and the horizontal axis is It represents the atomic concentration of each element at each measurement location. Focusing on the oxygen concentration in FIG. 2E, the oxygen concentration gradually increases from point (1) to point (4), that is, from the end surface (second surface) of the adhesion layer 5 to the metal layer 3. This is because the In in the metal layer 3 was oxidized by contact with air at the same time as the precipitation, and further, the adhesion layer 5 was formed on the metal layer 3 by sputtering or the like, so that Ti in the adhesion layer 5 became a metal layer. It is considered that oxygen was taken from 3 and oxidized. The sputtered film of the adhesion layer 5 starts to be formed from the metal layer 3 side and increases in thickness. Therefore, in the adhesion layer 5, the end face (from the interface (first surface) side with the metal layer 3 ( It is considered that the oxygen concentration gradually decreased toward the second surface) side.

(熱電変換素子の製造方法)
以下、上述の実施の形態の熱電変換素子1の製造方法を、図3を参照して説明する。上述の熱電変換素子1は、所望の組成に調合された熱電変換材料2aをるつぼ中で溶融させる工程(図3A参照)と、るつぼ6中に絶縁体(以下、「絶縁管」とも称する)4を挿入し、溶融した熱電変換材料2aを吸い上げる工程(図3B参照)と、熱処理後の絶縁管4を所望の長さに切断する工程(図3C参照)と、絶縁管4中に充填された熱電変換材料2aを熱処理する工程(図示せず)と、熱処理後の絶縁管4内に充填された熱電変換体2の端面に密着層5を形成する工程(図3D参照)と、を行うことで製造することができる。以下、熱電変換材料2aとして、CoSb12に、Inを添加した材料を用いた場合を例に当該製造方法を説明する。ただし、熱電変換材料2aとして、スクッテルダイト材料を用いれば、その元素や配合比を任意に調整しても、同様の方法で作製することが可能である。
(Method for manufacturing thermoelectric conversion element)
Hereinafter, the manufacturing method of the thermoelectric conversion element 1 of the above-described embodiment will be described with reference to FIG. The thermoelectric conversion element 1 includes a step of melting a thermoelectric conversion material 2a prepared in a desired composition in a crucible (see FIG. 3A), and an insulator (hereinafter also referred to as “insulating tube”) 4 in the crucible 6. Is inserted, and the melted thermoelectric conversion material 2a is sucked up (see FIG. 3B), the insulating tube 4 after the heat treatment is cut into a desired length (see FIG. 3C), and the insulating tube 4 is filled. Performing a step of heat-treating the thermoelectric conversion material 2a (not shown) and a step of forming the adhesion layer 5 on the end face of the thermoelectric conversion body 2 filled in the insulating tube 4 after the heat treatment (see FIG. 3D). Can be manufactured. Hereinafter, the manufacturing method will be described by taking as an example a case where a material obtained by adding In to Co 4 Sb 12 is used as the thermoelectric conversion material 2a. However, if a skutterudite material is used as the thermoelectric conversion material 2a, it can be produced by the same method even if the elements and the mixing ratio are arbitrarily adjusted.

まず、あらかじめ調合された熱電変換材料2a、例えばInCoSb12(0<x≦1)を準備する(図3A参照)。当該熱電変換材料2aの形態は、粉末状であってもよく、インゴット状であってもよい。また、Inの添加量は、上記組成式において、0<x≦1を満たせばよいが、特に0.1≦x≦0.5であることが好ましい。Inの添加量が少ないと、得られる熱電変換部材2における熱電変換特性が十分に高まらないことがある。一方、Inの添加量が多すぎると、スクッテルダイト以外の化合物を形成してしまい、この場合にも熱電変換特性が低下してしまうためである。熱電変換材料2aは、るつぼ6中で1100〜1200℃に加熱し、溶融させる。るつぼ6は耐熱性があり、かつ熱電変換材料2aとの反応が少なく、コストも安いものであることが好ましく、例えば、カーボン製のるつぼを用いることが好ましい。また加熱は、真空中もしくは、窒素などの不活性ガス存在下で行うことが、熱電変換材料2aの酸化を抑制できるとの観点から好ましい。 First, a thermoelectric conversion material 2a prepared in advance, for example, In x Co 4 Sb 12 (0 <x ≦ 1) is prepared (see FIG. 3A). The thermoelectric conversion material 2a may be in the form of a powder or an ingot. In addition, the addition amount of In may satisfy 0 <x ≦ 1 in the above composition formula, but 0.1 ≦ x ≦ 0.5 is particularly preferable. If the amount of In added is small, the thermoelectric conversion characteristics of the obtained thermoelectric conversion member 2 may not be sufficiently improved. On the other hand, if the amount of In added is too large, compounds other than skutterudite are formed, and in this case, the thermoelectric conversion characteristics also deteriorate. The thermoelectric conversion material 2 a is heated to 1100 to 1200 ° C. in the crucible 6 and melted. The crucible 6 is preferably heat-resistant, has little reaction with the thermoelectric conversion material 2a, and is low in cost. For example, a carbon crucible is preferably used. Further, heating is preferably performed in a vacuum or in the presence of an inert gas such as nitrogen from the viewpoint that oxidation of the thermoelectric conversion material 2a can be suppressed.

上記工程で、熱電変換材料2aを十分に溶融させた後、るつぼ6中に絶縁管4を挿入し、溶融した熱電変換材料2aを吸い上げ、熱電変換材料2aを絶縁管4中に充填させる工程を行う(図3B)。絶縁管4は、上述の熱電変換素子1の絶縁体4に相当する。本実施の形態の製造方法では、絶縁管4の内径や形状によって、得られる熱電変換部材2の外径や形状が定まる。ここで、スクッテルダイト型の熱電変換材料2aは一般的に融点が高い。例えば、CoSb12の融点は1000℃付近であるため、耐熱性のある絶縁体4を用いる必要がある。このためガラス、特に軟化温度の高い石英ガラスを用いることが好ましい。石英ガラスは酸化物であり、熱電変換材料2aとの反応も少ないため、本開示の製造方法における絶縁管4として適している。また、絶縁管4内に熱電変換材料2aを吸い上げる方法は特に制限されず、例えば、絶縁管4の一方を溶融した熱電変換材料2a内に挿入し、他方からシリンダなどを用いて吸引する方法とすることができる。この時の吸引量は絶縁管4の内径や、長さ等から任意に選択することができる。 In the above process, after the thermoelectric conversion material 2a is sufficiently melted, the insulating tube 4 is inserted into the crucible 6, the melted thermoelectric conversion material 2a is sucked up, and the thermoelectric conversion material 2a is filled in the insulating tube 4. Perform (FIG. 3B). The insulating tube 4 corresponds to the insulator 4 of the thermoelectric conversion element 1 described above. In the manufacturing method of the present embodiment, the outer diameter and shape of the obtained thermoelectric conversion member 2 are determined by the inner diameter and shape of the insulating tube 4. Here, the skutterudite-type thermoelectric conversion material 2a generally has a high melting point. For example, since the melting point of Co 4 Sb 12 is around 1000 ° C., it is necessary to use a heat-resistant insulator 4. For this reason, it is preferable to use glass, particularly quartz glass having a high softening temperature. Since quartz glass is an oxide and has little reaction with the thermoelectric conversion material 2a, it is suitable as the insulating tube 4 in the manufacturing method of the present disclosure. The method of sucking up the thermoelectric conversion material 2a into the insulating tube 4 is not particularly limited. For example, one of the insulating tubes 4 is inserted into the molten thermoelectric conversion material 2a and sucked from the other using a cylinder or the like. can do. The suction amount at this time can be arbitrarily selected from the inner diameter, length, etc. of the insulating tube 4.

次に、熱電変換部材2が充填された絶縁管4を所望の長さに切断する(図3C)。絶縁管4および熱電変換部材2の切断方法としては、ブレードによる切断や、ワイヤーカットによる切断を採用することができるが、一括処理が可能なワイヤーカットの方が生産性の観点で望ましい。また、絶縁管4が石英からなる場合、金属である熱電変換部材2と、硬い石英(ガラス)とを同時に切断することになる。そのため、ワイヤーカットの条件としては、砥粒を小さくし、ワイヤーの線速を遅くした方が、石英(ガラス)の割れや熱電変換部材2のかけを低減することができる。   Next, the insulating tube 4 filled with the thermoelectric conversion member 2 is cut into a desired length (FIG. 3C). As a method of cutting the insulating tube 4 and the thermoelectric conversion member 2, cutting with a blade or cutting with a wire cut can be adopted, but wire cutting capable of batch processing is more desirable from the viewpoint of productivity. When the insulating tube 4 is made of quartz, the thermoelectric conversion member 2 that is a metal and the hard quartz (glass) are simultaneously cut. Therefore, as conditions for wire cutting, it is possible to reduce the cracking of quartz (glass) and the application of the thermoelectric conversion member 2 by reducing the abrasive grains and slowing the wire speed.

上述の切断加工後、熱電変換材料2aを充填させた絶縁体4を熱処理する工程を行う(図示せず)。熱処理は一般的な電気炉を用いることができ、500℃〜800℃の間で30時間〜200時間程度行う。適正な加熱条件は組成によってことなるが、例えばInCoSb12(0<x≦1)であれば600℃で60時間程度行うことにより、熱電変換特性の良い熱電変換部材2を得ることができる。基本的には、熱処理を長時間行った方が、安定した特性を有する熱電変換部材2が得られる。なお、本工程による熱処理前、熱電変換材料2aは、スクッテルダイト型の結晶を構成していないが、加熱によって結晶構造が変化する。その結果、Inが充填されたCoSb12の結晶を得ることができる。そして、当該組成物から構成される熱電変換部材2を含む熱電変換素子1によれば、十分な熱電変換特性が発揮される。 After the cutting process described above, a step of heat-treating the insulator 4 filled with the thermoelectric conversion material 2a is performed (not shown). The heat treatment can be performed using a general electric furnace, and is performed between 500 ° C. and 800 ° C. for about 30 hours to 200 hours. Appropriate heating conditions vary depending on the composition. For example, if In x Co 4 Sb 12 (0 <x ≦ 1), the thermoelectric conversion member 2 having good thermoelectric conversion characteristics is obtained by performing the heating at 600 ° C. for about 60 hours. Can do. Basically, the thermoelectric conversion member 2 having stable characteristics can be obtained by performing the heat treatment for a long time. Before the heat treatment in this step, the thermoelectric conversion material 2a does not constitute a skutterudite-type crystal, but the crystal structure is changed by heating. As a result, a Co 4 Sb 12 crystal filled with In can be obtained. And according to the thermoelectric conversion element 1 containing the thermoelectric conversion member 2 comprised from the said composition, sufficient thermoelectric conversion characteristics are exhibited.

上記熱処理は、熱電変換材料2aや、熱処理によって得られる熱電変換部材2の酸化を抑制するため、真空中、もしくは不活性ガス雰囲気下で行うことが好ましい。金属層3は、熱電変換材料2aの原子配列がスクッテルダイト構造を形成するために、入れ替わる過程で発生する。熱電変換材料2aに含まれるInのうち、スクッテルダイト型の結晶に組み込まれなかったInは、当該結晶の外部に排出される。そして、Inは、析出と同時に酸化され、熱電変換部材2の端面に、Inおよび酸素を含む金属層3が形成される。   The heat treatment is preferably performed in a vacuum or in an inert gas atmosphere in order to suppress oxidation of the thermoelectric conversion material 2a and the thermoelectric conversion member 2 obtained by the heat treatment. The metal layer 3 is generated in a process in which the atomic arrangement of the thermoelectric conversion material 2a is switched to form a skutterudite structure. Of the In contained in the thermoelectric conversion material 2a, In that has not been incorporated into the skutterudite crystal is discharged outside the crystal. In is oxidized simultaneously with the precipitation, and a metal layer 3 containing In and oxygen is formed on the end face of the thermoelectric conversion member 2.

なお、金属層3を有する熱電変換素子1は、熱電変換材料2aを絶縁管4に充填する工程と、充填する際の温度とは異なる温度で熱処理をする工程と、によってもたらされる。例えば、熱電変換材料2aの組成がInCoSb12(0<x≦1)である場合、絶縁管4に充填する際の熱電変換材料2aの温度は1100℃〜1200℃であり、絶縁管4に充填後、熱処理する際の熱電変換材料2aの温度は、500℃〜800℃である。絶縁管4に充填する際には熱電変換材料2a(スクッテルダイト材料)が溶融している必要があるため、融点を超える温度とする必要がある。また熱処理については、固体の状態、つまり結晶状態で原子の移動を促すため、融点より充分に低い温度で行う必要がある。 In addition, the thermoelectric conversion element 1 which has the metal layer 3 is brought about by the process of filling the thermoelectric conversion material 2a in the insulating tube 4, and the process of heat-processing at the temperature different from the temperature at the time of filling. For example, when the composition of the thermoelectric conversion material 2a is In x Co 4 Sb 12 (0 <x ≦ 1), the temperature of the thermoelectric conversion material 2a when filling the insulating tube 4 is 1100 ° C. to 1200 ° C. The temperature of the thermoelectric conversion material 2a when heat-treating after filling the tube 4 is 500 ° C to 800 ° C. When the insulating tube 4 is filled, the thermoelectric conversion material 2a (skutterudite material) needs to be melted, so that the temperature must exceed the melting point. In addition, the heat treatment needs to be performed at a temperature sufficiently lower than the melting point in order to promote movement of atoms in a solid state, that is, in a crystalline state.

上記熱処理工程後、熱電変換部材2の切断面に密着層5を形成する。上述の通り、密着層5は、金属拡散抑制、および配線基板への接合という2種類の役割を果たす。そこで、密着層5が2層構造である場合を例に説明をする。本実施の形態では、金属拡散を抑制するための膜にTiを用い、配線基板に接合するための膜としてAgを用いる場合、密着層5を構成する各膜の形成方法として、スパッタ法が挙げられる。各膜の形成方法として、めっき法等も考えられるが、Tiのような元素はめっきできず、さらにめっき法は湿式法であるため、密着層5形成の際に絶縁体4と熱電変換部材2の隙間にこれらの材料が入り込み、不要な場所に膜を形成してしまう可能性がある。また溶射による成膜方法もあるが、膜の厚みのコントロールが難しい点や、膜質が比較的疎になりやすいため、金属拡散を抑制するという点で好ましくない。これに対し、スパッタによる成膜であればこのような問題を回避することができる。膜の厚みとしては例えばTiからなる膜を1μm、Agからなる膜を400nm程度とすれば、密着層5に金属拡散抑制と接合という機能を持たせることができる。   After the heat treatment step, the adhesion layer 5 is formed on the cut surface of the thermoelectric conversion member 2. As described above, the adhesion layer 5 plays two kinds of roles: metal diffusion suppression and bonding to the wiring board. Therefore, the case where the adhesion layer 5 has a two-layer structure will be described as an example. In the present embodiment, when Ti is used as a film for suppressing metal diffusion and Ag is used as a film for bonding to a wiring board, a sputtering method is given as a method for forming each film constituting the adhesion layer 5. It is done. Although a plating method or the like can be considered as a method for forming each film, since an element such as Ti cannot be plated and the plating method is a wet method, the insulator 4 and the thermoelectric conversion member 2 are formed when the adhesion layer 5 is formed. There is a possibility that these materials enter the gaps and form a film in an unnecessary place. Although there is a film forming method by thermal spraying, it is not preferable in terms of suppressing metal diffusion because it is difficult to control the thickness of the film and the film quality tends to be relatively sparse. On the other hand, such a problem can be avoided if the film is formed by sputtering. As the thickness of the film, for example, if the film made of Ti is about 1 μm and the film made of Ag is about 400 nm, the adhesion layer 5 can have functions of suppressing metal diffusion and bonding.

以上の工程を経ることで本開示の実施の形態に係る熱電変換素子1を得ることができる。   Through the above steps, the thermoelectric conversion element 1 according to the embodiment of the present disclosure can be obtained.

上述のように、切断加工後に熱処理を行うことで熱電変換部材2の端面に金属層3を析出させることが出来る。この順序が逆になると、金属層3は熱電変換部材2の側面に積極的に析出し、熱電変換部材2の端面にはInCoSb12(0<x≦1)が露出することになる。 As described above, the metal layer 3 can be deposited on the end face of the thermoelectric conversion member 2 by performing a heat treatment after the cutting process. When this order is reversed, the metal layer 3 is positively deposited on the side surface of the thermoelectric conversion member 2 and In x Co 4 Sb 12 (0 <x ≦ 1) is exposed on the end surface of the thermoelectric conversion member 2. Become.

(熱電変換モジュール)
図4は本開示の熱電変換素子1を用いた熱電変換モジュールの一例を示す断面概略図である。熱電変換素子1はP型熱電変換素子1PとN型熱電変換素子1Nが直列に繋がるように配置されている。またこれらは対向する高温側基板7と低温側基板8との間に挟まれている。高温側基板7と低温側基板8には、それぞれ配線電極9が形成されており、接合部10により熱電変換素子1と配線電極9とが電気的に接合されている。P型熱電変換素子1PおよびN型熱電変換素子1Nは、いずれもスクッテルダイト型の材料で構成される熱電変換部材を有する素子で構成することができる。例えば、N型の熱電変換部材の材料は、CoSb12、P型の熱電変換部材の材料は、N型の材料のCoを一部Feに置き換えたFeCo−xSb12という組成式で表す材料とすることができる。また、これらは、いずれもInなどの充填元素を含む。また、いずれの組成であっても、上述の製造方法で製造することにより、熱電変換部材の両端面に金属層3を形成することが可能である。
(Thermoelectric conversion module)
FIG. 4 is a schematic cross-sectional view illustrating an example of a thermoelectric conversion module using the thermoelectric conversion element 1 of the present disclosure. The thermoelectric conversion element 1 is arranged so that the P-type thermoelectric conversion element 1P and the N-type thermoelectric conversion element 1N are connected in series. These are sandwiched between the high temperature side substrate 7 and the low temperature side substrate 8 facing each other. A wiring electrode 9 is formed on each of the high temperature side substrate 7 and the low temperature side substrate 8, and the thermoelectric conversion element 1 and the wiring electrode 9 are electrically joined by the joint 10. Each of the P-type thermoelectric conversion element 1P and the N-type thermoelectric conversion element 1N can be constituted by an element having a thermoelectric conversion member made of a skutterudite type material. For example, the material of the N-type thermoelectric conversion member is Co 4 Sb 12 , and the material of the P-type thermoelectric conversion member is Fe x Co 4 -xSb 12 in which Co in the N-type material is partially replaced by Fe. It can be set as the material represented by. Moreover, these all contain a filling element such as In. Moreover, even if it is any composition, it is possible to form the metal layer 3 in the both end surfaces of a thermoelectric conversion member by manufacturing with the above-mentioned manufacturing method.

また、本開示の熱電変換モジュールは、例えば、第1導電型の第1熱電変換素子と、当該第1熱電変換素子と導電型の異なる第2導電型の第2熱電変換素子と、を組み合わせたものであってもよい。各熱電変換素子は、上述の製造方法で作製することができる。   Moreover, the thermoelectric conversion module of this indication combined the 1st conductivity type 1st thermoelectric conversion element and the 2nd conductivity type 2nd thermoelectric conversion element from which the said 1st thermoelectric conversion element differs in conductivity type, for example. It may be a thing. Each thermoelectric conversion element can be manufactured by the above-described manufacturing method.

また熱電変換モジュールの高温側基板7には、アルミナや窒化ケイ素といったセラミックからなる基板を用いることが好ましい。これは高温で用いることを前提とした場合、樹脂系の基板では耐熱性に劣るためである。一方、低温側基板8は、使用温度において十分な耐熱性を有するものであれば特に制限されず、セラミックや樹脂系の基板を用いることができる。またそれぞれの基板に形成されている配線電極9は、耐熱性を鑑みてAgなどの酸化し難い金属からなることが好ましい。また接合部10についても、酸化し難いことが好ましく、例えば配線電極9にAgを採用した場合、接合性を考慮して、Agロウや焼結Agを用いることが好ましい。   Moreover, it is preferable to use the board | substrate which consists of ceramics, such as an alumina and a silicon nitride, for the high temperature side board | substrate 7 of a thermoelectric conversion module. This is because the resin substrate is inferior in heat resistance when it is assumed to be used at a high temperature. On the other hand, the low temperature side substrate 8 is not particularly limited as long as it has sufficient heat resistance at the use temperature, and a ceramic or resin substrate can be used. The wiring electrodes 9 formed on the respective substrates are preferably made of a metal that is difficult to oxidize such as Ag in view of heat resistance. In addition, it is preferable that the joint portion 10 is not easily oxidized. For example, when Ag is used for the wiring electrode 9, it is preferable to use Ag brazing or sintered Ag in consideration of bondability.

(効果)
以下、本開示の熱電変換素子等の効果について説明する。本開示の熱電変換素子1では、熱電変換部材2と密着層5の間に、熱電変換部材2の材料を構成する元素Lおよび酸素を含む金属層3(L層)が存在する。さらに、密着層5も、通常、元素Qと共に酸素を含む。ここで、熱電変換部材2の構成材料であるSbなどの元素Pnや元素M等は、酸素より拡散係数が低い。したがって、上述の接合部10と熱電変換材料2との間に、酸素を含む金属層3および密着層5が存在することで、熱電変換部材2を構成する材料の接合部10への金属拡散が大幅に低減される。また、前述のように、密着層5の酸素含有率は、通常、表面にかけて徐々に減少するが、このような密着層5では、密着層5全体の酸化が進行している場合に比べて酸素含有率が低くなる。したがって、求められる機械強度と電気伝導率を保有すると考えられる。なお、金属層3の厚みが200nm以上かつ1μm以下であると、拡散防止効果と機械強度を両立することが出来るため、好ましい。
(effect)
Hereinafter, effects of the thermoelectric conversion element and the like of the present disclosure will be described. In the thermoelectric conversion element 1 of the present disclosure, the metal layer 3 (L layer) containing the element L and oxygen constituting the material of the thermoelectric conversion member 2 exists between the thermoelectric conversion member 2 and the adhesion layer 5. Furthermore, the adhesion layer 5 usually also contains oxygen together with the element Q. Here, the element Pn such as Sb, the element M, and the like which are constituent materials of the thermoelectric conversion member 2 have a lower diffusion coefficient than oxygen. Therefore, the presence of the oxygen-containing metal layer 3 and the adhesion layer 5 between the joint 10 and the thermoelectric conversion material 2 allows the metal constituting the thermoelectric conversion member 2 to diffuse into the joint 10. It is greatly reduced. In addition, as described above, the oxygen content of the adhesion layer 5 is usually gradually reduced toward the surface. However, in such an adhesion layer 5, the oxygen content in the adhesion layer 5 as a whole is increased as compared with the case where the oxidation is progressing. The content rate becomes low. Therefore, it is considered that the required mechanical strength and electrical conductivity are possessed. In addition, it is preferable that the thickness of the metal layer 3 is 200 nm or more and 1 μm or less because both the diffusion prevention effect and the mechanical strength can be achieved.

ここで、400℃環境下で100時間の耐久試験を行った素子の断面観察結果を示す。図5Aは、金属層が存在しない素子(比較例)について、耐久試験後に熱電変換素子1の中心軸と平行に切断したときの断面の電子顕微鏡像である。図5Bは、当該素子のエネルギー分散型X線分光法による測定結果である。図5Bにおける縦軸は図5A中の測定箇所、点(1)〜(4)を示しており、横軸は各測定箇所における各元素の原子数濃度を表している。点(1)〜(3)が密着層5に相当し、点(4)が熱電変換部材2に相当する。密着層5(Tiスパッタ層)における点(1)〜(3)の分析結果を見ると、Sb、In、およびCoがそれぞれ検出されており、密着層5への熱電変換部材2の素子材料の拡散が進行していることが分かる。   Here, the cross-sectional observation result of the element which performed the durability test for 100 hours in 400 degreeC environment is shown. FIG. 5A is an electron microscope image of a cross section when an element (comparative example) in which no metal layer is present is cut parallel to the central axis of the thermoelectric conversion element 1 after the durability test. FIG. 5B shows a measurement result of the element by energy dispersive X-ray spectroscopy. The vertical axis in FIG. 5B indicates the measurement locations and points (1) to (4) in FIG. 5A, and the horizontal axis indicates the atomic number concentration of each element at each measurement location. Points (1) to (3) correspond to the adhesion layer 5, and point (4) corresponds to the thermoelectric conversion member 2. When the analysis results of points (1) to (3) in the adhesion layer 5 (Ti sputter layer) are seen, Sb, In, and Co are detected, respectively, and the element material of the thermoelectric conversion member 2 to the adhesion layer 5 is detected. It can be seen that the diffusion is in progress.

一方、図5Cは、本開示の実施の形態の金属層3が存在する素子の耐久試験後に熱電変換素子1の中心軸と平行に切断したときの断面の電子顕微鏡像である。図5Dは、当該素子のエネルギー分散型X線分光法による測定結果である。図5Dにおける縦軸は、図5C中の測定箇所、点(1)〜(4)を示しており、横軸は各測定箇所における各元素の原子数濃度を表している。点(1)および(2)が密着層5に相当し、点(3)が金属層3に相当し、点(4)が熱電変換部材2に相当する。図5Dより、密着層5(Tiスパッタ層)における点(1)および(2)では、Sb、Co、およびInが検出されたが、図5Aの点(1)〜(3)に比べると、それらの原子数濃度は半分以下に減少している。すなわち、本開示の実施の形態の熱電変換素子では、高温環境下における、熱電変換材料2aから密着層5への素子材料の拡散が減少していることが確認できる。したがって、従来の熱電変換素子と比較して、非常に高い信頼性を有する。   On the other hand, FIG. 5C is an electron microscope image of a cross section when cut in parallel to the central axis of the thermoelectric conversion element 1 after the durability test of the element in which the metal layer 3 of the embodiment of the present disclosure is present. FIG. 5D shows a measurement result of the device by energy dispersive X-ray spectroscopy. The vertical axis in FIG. 5D indicates the measurement locations and points (1) to (4) in FIG. 5C, and the horizontal axis indicates the atomic number concentration of each element at each measurement location. Points (1) and (2) correspond to the adhesion layer 5, point (3) corresponds to the metal layer 3, and point (4) corresponds to the thermoelectric conversion member 2. From FIG. 5D, Sb, Co, and In were detected at the points (1) and (2) in the adhesion layer 5 (Ti sputter layer), but compared to the points (1) to (3) in FIG. 5A, Their atomic number concentration is reduced to less than half. That is, in the thermoelectric conversion element according to the embodiment of the present disclosure, it can be confirmed that the diffusion of the element material from the thermoelectric conversion material 2a to the adhesion layer 5 in a high temperature environment is reduced. Therefore, compared with the conventional thermoelectric conversion element, it has very high reliability.

なお、本実施の形態の熱電変換素子では特に、金属層3(L層)の平均酸素濃度は、25atm%以上65atm%以下であることが好ましく、密着層5の平均酸素濃度は、0atm%以上40atm%以下であることが望ましい。なぜならば、金属層3の平均酸素濃度が25atm%以下の場合、金属層3を構成する元素Lの酸化に伴う拡散抑制効果の向上が減少する傾向にある。また、金属層3の平均酸素濃度が65atm%以上の場合、電気抵抗率と機械強度が低下する傾向にある。さらに、金属層3の平均酸素濃度が65atm%以上の場合では、密着層5の成膜時、Ti等が金属層3から過度に酸素を奪い取り、密着層5の平均酸素濃度が40atm%を超えやすくなる。密着層5の平均酸素濃度が40atm%以上の場合、金属層3と同様、電気抵抗率と機械強度が低下する傾向にある。なお、平均酸素濃度は、それぞれ100sqmの領域における測定値である。   In the thermoelectric conversion element of the present embodiment, the average oxygen concentration of the metal layer 3 (L layer) is preferably 25 atm% or more and 65 atm% or less, and the average oxygen concentration of the adhesion layer 5 is 0 atm% or more. It is desirable that it is 40 atm% or less. This is because when the average oxygen concentration of the metal layer 3 is 25 atm% or less, the improvement of the diffusion suppressing effect accompanying the oxidation of the element L constituting the metal layer 3 tends to decrease. Further, when the average oxygen concentration of the metal layer 3 is 65 atm% or more, the electrical resistivity and the mechanical strength tend to decrease. Furthermore, when the average oxygen concentration of the metal layer 3 is 65 atm% or more, Ti or the like takes away oxygen from the metal layer 3 excessively when the adhesion layer 5 is formed, and the average oxygen concentration of the adhesion layer 5 exceeds 40 atm%. It becomes easy. When the average oxygen concentration of the adhesion layer 5 is 40 atm% or more, like the metal layer 3, the electrical resistivity and the mechanical strength tend to decrease. The average oxygen concentration is a measured value in a region of 100 sqm.

上記説明では、金属層3(L層)を熱電変換部材2の上面および底面の両方に設けた例を説明したが、当該L層は、熱電変換部材2の上面又は底面の一方にのみ設けてもよい。ただし、より顕著な拡散防止効果を得るために、熱電変換部材2の上面および底面の両方にL層を配することが好ましい。   In the above description, the example in which the metal layer 3 (L layer) is provided on both the upper surface and the bottom surface of the thermoelectric conversion member 2 has been described, but the L layer is provided only on one of the upper surface or the bottom surface of the thermoelectric conversion member 2. Also good. However, in order to obtain a more remarkable diffusion preventing effect, it is preferable to dispose the L layer on both the upper surface and the bottom surface of the thermoelectric conversion member 2.

本開示に係る熱電変換材料は、従来の熱電変換素子と比較し、高温下において熱電変換特性の信頼性に優れ、自動車や工場排熱など高温のエネルギー回収に適用できる。   The thermoelectric conversion material according to the present disclosure is superior in reliability of thermoelectric conversion characteristics at high temperatures as compared with conventional thermoelectric conversion elements, and can be applied to high-temperature energy recovery such as automobile and factory exhaust heat.

1 熱電変換素子
1P P型熱電変換素子
1N N型熱電変換素子
2 熱電変換部材
2a 熱電変換材料
3 金属層
4 絶縁体
5 密着層
6 るつぼ
7 高温側基板
8 低温側基板
9 配線電極
10 接合部
101 P型熱電変換素子
102 N型熱電変換素子
103 第1の拡散防止層
104 第2の拡散防止層
105 半田接合層
106 半田層
107 電極保護層
108 高温側電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Thermoelectric conversion element 1P P type thermoelectric conversion element 1N N type thermoelectric conversion element 2 Thermoelectric conversion member 2a Thermoelectric conversion material 3 Metal layer 4 Insulator 5 Adhesion layer 6 Crucible 7 High temperature side substrate 8 Low temperature side substrate 9 Wiring electrode 10 Junction 101 P-type thermoelectric conversion element 102 N-type thermoelectric conversion element 103 First diffusion prevention layer 104 Second diffusion prevention layer 105 Solder bonding layer 106 Solder layer 107 Electrode protective layer 108 High temperature side electrode

Claims (7)

元素L(In、Yb、Eu、Ce、La、Nd、GaおよびSrからなる群から選ばれる1つ以上の元素を表す)、元素M(Co、Rh、Ir、Fe、Ni、Pt、Pd、RuおよびOsからなる群から選ばれる1つ以上の元素を表す)、および元素Pn(Sb、As、P、Te、Sn、Bi、Ge、SeおよびSiからなる群から選ばれる1つ以上の元素を表す)を含むスクッテルダイト型の材料で構成される熱電変換部材と、
前記熱電変換部材の上面および底面の少なくとも一方に配された、前記元素Lと酸素とを含むL層と、
前記L層上に配された、元素Q(Ti、Mo、Co、Taからなる群から選ばれる1つ以上の元素を表す)を含む密着層と、を備え、
前記L層の平均酸素濃度は、前記密着層の平均酸素濃度よりも大である、
熱電変換素子。
Element L (represents one or more elements selected from the group consisting of In, Yb, Eu, Ce, La, Nd, Ga and Sr), element M (Co, Rh, Ir, Fe, Ni, Pt, Pd, One or more elements selected from the group consisting of Ru and Os), and one or more elements selected from the group consisting of elements Pn (Sb, As, P, Te, Sn, Bi, Ge, Se and Si) A thermoelectric conversion member composed of a skutterudite-type material containing
An L layer containing the element L and oxygen, disposed on at least one of the upper surface and the bottom surface of the thermoelectric conversion member;
An adhesion layer that is disposed on the L layer and includes an element Q (representing one or more elements selected from the group consisting of Ti, Mo, Co, and Ta);
The average oxygen concentration of the L layer is greater than the average oxygen concentration of the adhesion layer.
Thermoelectric conversion element.
前記密着層の前記L層側の第1面における酸素濃度は、前記密着層の前記第1面と反対側の第2面における酸素濃度よりも大である、
請求項1に記載の熱電変換素子。
The oxygen concentration on the first surface of the adhesion layer on the L layer side is greater than the oxygen concentration on the second surface of the adhesion layer opposite to the first surface,
The thermoelectric conversion element according to claim 1.
前記密着層は、厚み方向の断面において、酸素濃度が徐々に変化する、
請求項1または2に記載の熱電変換素子。
In the adhesion layer, the oxygen concentration gradually changes in the cross section in the thickness direction.
The thermoelectric conversion element according to claim 1.
前記L層の平均酸素濃度は、25atm%以上65atm%以下であり、
前記密着層の平均酸素濃度は、0atm%以上40atm%以下である、
請求項1〜3のいずれか一項に記載の熱電変換素子。
The average oxygen concentration of the L layer is 25 atm% or more and 65 atm% or less,
The average oxygen concentration of the adhesion layer is 0 atm% or more and 40 atm% or less.
The thermoelectric conversion element as described in any one of Claims 1-3.
前記密着層上に電極が配される、
請求項1〜4のいずれか一項に記載の熱電変換素子。
An electrode is disposed on the adhesion layer;
The thermoelectric conversion element as described in any one of Claims 1-4.
前記密着層と前記電極との間に接合部材が配される、
請求項5に記載の熱電変換素子。
A joining member is disposed between the adhesion layer and the electrode.
The thermoelectric conversion element according to claim 5.
前記元素LはInであり、前記元素MはCoであり、前記元素PnはSbである、
請求項1〜6のいずれか一項に記載の熱電変換素子。
The element L is In, the element M is Co, and the element Pn is Sb.
The thermoelectric conversion element as described in any one of Claims 1-6.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20200132231A (en) * 2019-05-16 2020-11-25 한국전력공사 Method for fabricating thermoelectric element and thermoelectric element and thermoelectric module made thereby
KR102285688B1 (en) * 2019-05-16 2021-08-05 한국전력공사 Method for fabricating thermoelectric element and thermoelectric element and thermoelectric module made thereby

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