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WO2015002029A1 - Thermoelectric conversion element - Google Patents

Thermoelectric conversion element Download PDF

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WO2015002029A1
WO2015002029A1 PCT/JP2014/066694 JP2014066694W WO2015002029A1 WO 2015002029 A1 WO2015002029 A1 WO 2015002029A1 JP 2014066694 W JP2014066694 W JP 2014066694W WO 2015002029 A1 WO2015002029 A1 WO 2015002029A1
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WO
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thermoelectric conversion
region
electrode
dopant
conversion element
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PCT/JP2014/066694
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Inventor
加納 丈嘉
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Fujifilm Corp
Original Assignee
Fujifilm Corp
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Publication date
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    • HELECTRICITY
    • H10SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10NELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N10/00Thermoelectric devices comprising a junction of dissimilar materials, i.e. devices exhibiting Seebeck or Peltier effects
    • H10N10/80Constructional details
    • H10N10/85Thermoelectric active materials
    • H10N10/856Thermoelectric active materials comprising organic compositions

Definitions

  • the dopant doping average in the first region which is a half region of the thermoelectric conversion layer on one electrode side is half the region of the thermoelectric conversion layer on the other electrode side. It is characterized by being larger than the average dopant doping rate in a certain second region. That is, the present invention is characterized in that the average density of the number of dopants in the first region, that is, the number density is larger than the average density of the dopants in the second region, and the amount of dopant in the first region is increased. More than the amount of dopant in the second region.
  • the thermoelectric conversion element 10 includes a first electrode 14 and a second electrode 16 that are laminated at spaced positions on the substrate 12, and further, the first electrode 14 and the second electrode 16.
  • a thermoelectric conversion layer 18 is laminated on the substrate 12 so as to cover the electrode 16.
  • the first electrode 14 and the second electrode 16 constitute an electrode pair.
  • the thermoelectric conversion layer 18 has two regions, the first region 18a and the second region 18b, having different doping rates, that is, dopant densities, in the direction from the first electrode 14 to the second electrode 16. Do it.
  • the first region 18a and the second region 18b are substantially the same size.
  • the first region 48a side which is the first electrode 44 side, which has a high dopant content
  • the second region 48b side which is the second electrode 46 side with a small amount
  • This increases the number of carriers on the high-temperature part side, increases the difference in the number of carriers with the low-temperature part side, and can increase the difference more than the difference in the number of carriers due to the temperature.
  • the thermoelectromotive force can be improved. Therefore, thermoelectric characteristics can be improved and conversion efficiency can be improved.
  • thermoelectric conversion layer which the thermoelectric conversion element of this invention has will not be specifically limited if a dopant is contained.
  • the thermoelectric conversion layer contains at least a thermoelectric conversion material and a dopant.
  • the thermoelectric conversion layer may contain a polymer material or an inorganic material.
  • the solvent is preferably degassed in advance.
  • the dissolved oxygen concentration in the solvent is preferably 10 ppm or less.
  • Examples of the degassing method include a method of irradiating ultrasonic waves under reduced pressure, a method of bubbling an inert gas such as argon, and the like.
  • the solvent is preferably dehydrated in advance.
  • the amount of water in the solvent is preferably 1000 ppm or less, and more preferably 100 ppm or less.
  • a dehydration method a known method such as a method using molecular sieve or distillation can be used.
  • the solvent may be used in an appropriate amount depending on the kind of the material, but is preferably 90 to 99.99% by mass, more preferably 95 to 99.95% by mass with respect to the total mass of the solution. 98 to 99.9% by mass is more preferable.
  • the film forming method is not particularly limited.
  • known coating methods such as spin coating, extrusion die coating, blade coating, bar coating, screen printing, stencil printing, roll coating, curtain coating, spray coating, dip coating, and inkjet method. Can be used.
  • coating a drying process is performed as needed.
  • the solvent can be volatilized and dried by blowing hot air.
  • the prepared chloroform solution of dispersion B is affixed with a Teflon (registered trademark) frame on the substrate on which the electrodes are formed, and the solution is poured into the frame and dried on a hot plate at 60 ° C. for 1 hour. After drying, the frame was removed, and a conductive film having a thickness of about 1.1 ⁇ m was formed. After that, half of the film formed using an ultraviolet irradiation machine (ECS-401GX manufactured by Eye Graphics Co., Ltd.) is irradiated with ultraviolet light at a light amount of 200 mJ / cm 2 , so that only the half region, ie, the first region is doped.
  • ECS-401GX ultraviolet irradiation machine

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  • Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)

Abstract

 The present invention addresses the problem of providing a thermoelectric conversion element having excellent thermoelectric properties and an excellent conversion efficiency. A thermoelectric conversion element having: a thermoelectric conversion layer containing a dopant; and a pair of electrodes provided on the thermoelectric conversion layer. The average of the doping ratio in a first region, which is a region corresponding to half of the thermoelectric conversion layer on the side of one of the electrodes, is greater than the average of the doping ratio in a second region, which is a region corresponding to half of the thermoelectric conversion layer on the side of the other electrode.

Description

熱電変換素子Thermoelectric conversion element

 本発明は、熱電変換素子に関する。 The present invention relates to a thermoelectric conversion element.

 熱エネルギーと電気エネルギーを相互に変換することができる熱電変換材料は、熱電発電素子やペルチェ素子のような熱電変換素子に用いられている。
 このような熱電変換材料や熱電変換素子を応用した熱電発電は、熱エネルギーを直接電力に変換することができ、可動部を必要とせず、体温で作動する腕時計や僻地用電源、宇宙用電源等に用いられている。
 また、熱電変換素子の性能指数Zは下記式(A)で示され、性能向上には熱起電力Sおよび導電率σの向上が重要である。一般に、導電率σと熱起電力Sとは、相反する効果をもたらすため、熱電変換素子の性能評価には、S・σで表されるパワーファクターPFが用いられる。
 <性能指数>
 性能指数ZT=S・σ・T/κ   (A)
  S(V/K):熱起電力(ゼーベック係数)
  σ(S/m):導電率
  κ(W/mK):熱伝導率
  T(K):絶対温度
Thermoelectric conversion materials that can mutually convert thermal energy and electrical energy are used in thermoelectric conversion elements such as thermoelectric power generation elements and Peltier elements.
Thermoelectric power generation using such thermoelectric conversion materials and thermoelectric conversion elements can directly convert heat energy into electric power, does not require moving parts, operates at body temperature, power supplies for remote areas, power supplies for space, etc. It is used for.
Further, the figure of merit Z of the thermoelectric conversion element is represented by the following formula (A), and improvement of the thermoelectromotive force S and conductivity σ is important for improving the performance. In general, since the conductivity σ and the thermoelectromotive force S bring a contradictory effect, the power factor PF represented by S 2 · σ is used for performance evaluation of the thermoelectric conversion element.
<Performance index>
Figure of merit ZT = S 2 · σ · T / κ (A)
S (V / K): Thermoelectromotive force (Seebeck coefficient)
σ (S / m): conductivity κ (W / mK): thermal conductivity T (K): absolute temperature

 このような熱電変換素子において、性能向上のために、熱電変換層にドーパントを含有させることが行われている。
 例えば、特許文献1には、「Si系熱電半導体とカーボン電極との接合部に、Geリッチな領域を形成したことを特徴とする熱電半導体素子。」が記載されている。
 また、特許文献2には、「(A)カーボンナノチューブ、(B)導電性高分子、及び(C)オニウム塩化合物を含有する導電性組成物。」が記載されている。
 また、特許文献3には、「(A)カーボンナノチューブ、(B)導電性高分子、及び(C)活性エネルギー線照射又は熱の付与によりラジカルを発生する化合物を含有する導電性組成物。」が記載されている。
In such a thermoelectric conversion element, a dopant is contained in the thermoelectric conversion layer in order to improve performance.
For example, Patent Document 1 describes “Thermoelectric semiconductor element characterized in that a Ge-rich region is formed at the junction between the Si-based thermoelectric semiconductor and the carbon electrode.”
Patent Document 2 describes “(A) a carbon nanotube, (B) a conductive polymer, and (C) a conductive composition containing an onium salt compound.”
Patent Document 3 discloses “(A) a carbon nanotube, (B) a conductive polymer, and (C) a conductive composition containing a compound that generates radicals upon irradiation with active energy rays or application of heat”. Is described.

特開2007-243010号公報JP 2007-243010 A 国際公開第2012/133314号International Publication No. 2012/133314 特開2013-095821号公報JP 2013-095821 A

 しかしながら、本発明者が、特許文献1~3に記載された熱電変換材料等の改良を検討したところ、熱起電力S、および、パワーファクターPF(以下、「熱電特性」ともいう)の更なる改善に余地があることを明らかとした。 However, when the inventor studied improvement of the thermoelectric conversion materials and the like described in Patent Documents 1 to 3, the thermoelectromotive force S and the power factor PF (hereinafter also referred to as “thermoelectric characteristics”) are further increased. Clarified that there is room for improvement.

 そこで、本発明は、熱電特性に優れ、変換効率に優れた熱電変換素子を提供することを課題とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a thermoelectric conversion element having excellent thermoelectric characteristics and excellent conversion efficiency.

 本発明者は、上記課題を解決するため鋭意検討した結果、一方の電極側と他方の電極側とでドーパントの量を異ならせることにより、熱電特性に優れた熱電変換素子を作製できることを見出し、本発明を完成させた。
 すなわち、本発明者は、以下の構成により上記課題が解決できることを見出した。
As a result of diligent studies to solve the above problems, the present inventors have found that a thermoelectric conversion element excellent in thermoelectric characteristics can be produced by varying the amount of dopant on one electrode side and the other electrode side, The present invention has been completed.
That is, the present inventor has found that the above problem can be solved by the following configuration.

 (1) 熱電変換材料およびドーパントを含有する熱電変換層と、熱電変換層上に設けられる一対の電極とを有し、一方の電極側となる熱電変換層の半分の領域である第1の領域におけるドーパントのドープ率の平均が、他方の電極側となる熱電変換層の半分の領域である第2の領域におけるドーパントのドープ率の平均よりも大きい熱電変換素子。
 (2) 第1の領域におけるドープ率が3~10mol%である(1)に記載の熱電変換素子。
 (3) 熱電変換層の熱電変換材料が、有機材料である(1)または(2)に記載の熱電変換素子。
 (4) ドーパントは、酸化合物である(1)~(3)のいずれかに記載の熱電変換素子。
 (5) 酸化合物が、オニウム塩化合物に熱または活性エネルギー線を照射して発生するものである(4)に記載の熱電変換素子。
 (6) 熱電変換層のドープ率は、他方の電極側から一方の電極側に向かうに従って、漸次、増加している(1)~(5)のいずれかに記載の熱電変換素子。
 (7) 一方の電極に接する領域におけるドープ率が、他方の電極に接する領域におけるドープ率よりも大きい(1)~(6)のいずれかに記載の熱電変換素子。
 (8) 熱電変換層の第1の領域側に熱源との接合部を有する(1)~(7)のいずれかに記載の熱電変換素子。
(1) 1st area | region which has a thermoelectric conversion layer containing a thermoelectric conversion material and a dopant, and a pair of electrodes provided on a thermoelectric conversion layer, and is a half area | region of the thermoelectric conversion layer used as one electrode side The thermoelectric conversion element in which the average doping rate of the dopant is larger than the average doping rate of the dopant in the second region, which is a half region of the thermoelectric conversion layer on the other electrode side.
(2) The thermoelectric conversion element according to (1), wherein the doping ratio in the first region is 3 to 10 mol%.
(3) The thermoelectric conversion element according to (1) or (2), wherein the thermoelectric conversion material of the thermoelectric conversion layer is an organic material.
(4) The thermoelectric conversion element according to any one of (1) to (3), wherein the dopant is an acid compound.
(5) The thermoelectric conversion element according to (4), wherein the acid compound is generated by irradiating the onium salt compound with heat or active energy rays.
(6) The thermoelectric conversion element according to any one of (1) to (5), wherein the doping rate of the thermoelectric conversion layer gradually increases from the other electrode side toward the one electrode side.
(7) The thermoelectric conversion element according to any one of (1) to (6), wherein a doping rate in a region in contact with one electrode is larger than a doping rate in a region in contact with the other electrode.
(8) The thermoelectric conversion element according to any one of (1) to (7), which has a junction with a heat source on the first region side of the thermoelectric conversion layer.

 以下に示すように、本発明によれば、熱電特性に優れ、変換効率に優れた熱電変換素子を提供することができる。 As shown below, according to the present invention, a thermoelectric conversion element having excellent thermoelectric characteristics and excellent conversion efficiency can be provided.

本発明の熱電変換素子の一例を模式的に示す断面図である。図1中の矢印は素子の使用時に付与される温度差の方向を示す。It is sectional drawing which shows typically an example of the thermoelectric conversion element of this invention. The arrows in FIG. 1 indicate the direction of the temperature difference applied when the element is used. 本発明の熱電変換素子の他の一例を模式的に示す断面図である。図2中の矢印は素子の使用時に付与される温度差の方向を示す。It is sectional drawing which shows typically another example of the thermoelectric conversion element of this invention. The arrows in FIG. 2 indicate the direction of the temperature difference applied when the element is used. 本発明の熱電変換素子の他の一例を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically another example of the thermoelectric conversion element of this invention. 本発明の熱電変換素子の他の一例を用いたモジュールを模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the module using another example of the thermoelectric conversion element of this invention.

[熱電変換素子]
 本発明の熱電変換素子は、一方の電極側となる熱電変換層の半分の領域である第1の領域におけるドーパントのドープ率の平均が、他方の電極側となる熱電変換層の半分の領域である第2の領域におけるドーパントのドープ率の平均よりも大きい、ことを特徴とする。すなわち、本発明の特徴は、第1の領域におけるドーパントの数の平均密度、すなわち、数密度を、第2の領域におけるドーパントの平均密度よりも大きくし、第1の領域中のドーパントの量を第2の領域中のドーパントの量よりも多くするものである。
 本発明は、熱電変換素子の層構成をこのような構成として、一方の電極側を高温部とし、他方の電極側を低温部とすることにより、高温部側でのキャリア数が多くなり、低温部側のキャリア数が少なくなり、高温部側と低温部側とでキャリア数の差が大きくなる。この大きなキャリア数の差により、熱起電力Sが大きくなり、パワーファクターPFが大きくなり、変換効率が向上する。
 以下、本発明の熱電変換素子の構成について、図1~図4を用いて詳細に説明する。
[Thermoelectric conversion element]
In the thermoelectric conversion element of the present invention, the dopant doping average in the first region which is a half region of the thermoelectric conversion layer on one electrode side is half the region of the thermoelectric conversion layer on the other electrode side. It is characterized by being larger than the average dopant doping rate in a certain second region. That is, the present invention is characterized in that the average density of the number of dopants in the first region, that is, the number density is larger than the average density of the dopants in the second region, and the amount of dopant in the first region is increased. More than the amount of dopant in the second region.
In the present invention, the layer structure of the thermoelectric conversion element is such a configuration, and one electrode side is a high temperature part, and the other electrode side is a low temperature part, thereby increasing the number of carriers on the high temperature part side. The number of carriers on the part side decreases, and the difference in the number of carriers between the high temperature part side and the low temperature part side increases. Due to the large difference in the number of carriers, the thermoelectromotive force S is increased, the power factor PF is increased, and the conversion efficiency is improved.
Hereinafter, the configuration of the thermoelectric conversion element of the present invention will be described in detail with reference to FIGS.

 図1は、本発明の熱電変換素子の一例を模式的に示す概略断面図である。
 図1に示す熱電変換素子10は、基材12と、一対の電極である第1の電極14および第2の電極16と、熱電変換層18とを有する。
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view schematically showing an example of the thermoelectric conversion element of the present invention.
The thermoelectric conversion element 10 shown in FIG. 1 includes a base material 12, a first electrode 14 and a second electrode 16 that are a pair of electrodes, and a thermoelectric conversion layer 18.

 図1に示すように、熱電変換素子10は、第1の電極14および第2の電極16が基材12上の離間した位置にそれぞれ積層されて、さらに、第1の電極14および第2の電極16を覆うように、基材12上に熱電変換層18が積層されている。
 第1の電極14と第2の電極16とは、電極対を構成するものである。
 ここで、熱電変換層18は、第1の電極14から第2の電極16に向かう方向において、ドープ率すなわちドーパントの密度が異なる2つの領域、第1の領域18aおよび第2の領域18bを有してなる。第1の領域18aと第2の領域18bとは、略同じ大きさである。すなわち、第1の電極14側の第1の領域18a内のドーパントの量は、第2の電極16側の第2の領域18b内のドーパントの量よりも多い。
 なお、第1の領域18aおよび第2の領域18bにおいて、それぞれドーパントは略均一に分散されている。
As shown in FIG. 1, the thermoelectric conversion element 10 includes a first electrode 14 and a second electrode 16 that are laminated at spaced positions on the substrate 12, and further, the first electrode 14 and the second electrode 16. A thermoelectric conversion layer 18 is laminated on the substrate 12 so as to cover the electrode 16.
The first electrode 14 and the second electrode 16 constitute an electrode pair.
Here, the thermoelectric conversion layer 18 has two regions, the first region 18a and the second region 18b, having different doping rates, that is, dopant densities, in the direction from the first electrode 14 to the second electrode 16. Do it. The first region 18a and the second region 18b are substantially the same size. That is, the amount of dopant in the first region 18a on the first electrode 14 side is larger than the amount of dopant in the second region 18b on the second electrode 16 side.
Note that, in the first region 18a and the second region 18b, the dopant is dispersed substantially uniformly.

 また、図1に示す熱電変換素子10は、矢印で示される方向の温度差を利用して起電力すなわち電圧を得る態様であり、熱源50と、第1の電極14側で接触される。すなわち、図1においては、第1の電極14側の一面が接触部に相当する。 Further, the thermoelectric conversion element 10 shown in FIG. 1 is a mode in which an electromotive force, that is, a voltage is obtained using a temperature difference in a direction indicated by an arrow, and is in contact with the heat source 50 on the first electrode 14 side. That is, in FIG. 1, one surface on the first electrode 14 side corresponds to the contact portion.

 ここで、熱電変換素子は、電極対間で温度差を生じさせることにより、一方の電極側と他方の電極側とでキャリア数すなわち密度に差を生じさせて、電極対間に電位差を発生させるものである。 Here, the thermoelectric conversion element generates a temperature difference between the electrode pairs, thereby causing a difference in the number of carriers, that is, the density between one electrode side and the other electrode side, thereby generating a potential difference between the electrode pairs. Is.

 本発明においては、上記のとおり、温度差を生じる方向である、第1の電極14から第2の電極16に向かう方向において、熱電変換層18が、ドーパントの含有量すなわちドープ率が異なる2つの領域を有する構成とすることにより、ドーパントの含有量が多い、第1の電極14側すなわち第1の領域18a側を高温部側とし、ドーパントの含有量が少ない、第2の電極16側すなわち第2の領域18b側を低温部側とすることができる。
 これにより、高温部側のキャリアの数を増加させて、低温部側とのキャリア数差を増大させて、温度に起因するキャリア数差以上に差を増大させることができ、電極対間に発生する電位差を大きくして、熱起電力を向上させることができる。従って、熱電特性を向上し、変換効率を向上させることができる。
In the present invention, as described above, in the direction from the first electrode 14 toward the second electrode 16, which is the direction in which the temperature difference is generated, the thermoelectric conversion layer 18 has two different dopant contents, that is, doping rates. By having a structure having a region, the first electrode 14 side, i.e., the first region 18a side, having a high dopant content is set as the high temperature portion side, and the second electrode 16 side, i.e., the first electrode, having a low dopant content. 2 side 18b side can be made into the low temperature part side.
This increases the number of carriers on the high-temperature part side, increases the difference in the number of carriers with the low-temperature part side, and can increase the difference more than the difference in the number of carriers due to the temperature. By increasing the potential difference, the thermoelectromotive force can be improved. Therefore, thermoelectric characteristics can be improved and conversion efficiency can be improved.

 なお、図1に示す熱電変換素子10は、熱電変換層18の基材12とは反対側の面に積層される保護層、第2の基材等の他の層を有してもよい。
 また、熱電変換層18は、少なくとも第1の領域18aにドーパントが含有されていればよく、第2の領域18bにはドーパントを含有しない構成であってもよい。
The thermoelectric conversion element 10 shown in FIG. 1 may have other layers such as a protective layer and a second substrate that are laminated on the surface of the thermoelectric conversion layer 18 opposite to the substrate 12.
Moreover, the thermoelectric conversion layer 18 should just contain the dopant in the 1st area | region 18a at least, and the structure which does not contain a dopant in the 2nd area | region 18b may be sufficient as it.

 ここで、図1に示す態様においては、熱電変換層18は、基材12に平行な方向において、ドープ率すなわちドーパントの平均密度が異なる2つの領域を有する構成としたが、本発明は、これに限定はされず、基材に垂直な方向において、ドープ率すなわちドーパントの平均密度が異なる領域を有する構成としてもよい。 Here, in the embodiment shown in FIG. 1, the thermoelectric conversion layer 18 has two regions in which the doping rate, that is, the average density of the dopant is different, in the direction parallel to the base material 12. It is good also as a structure which has the area | region where dope rate, ie, the average density of a dopant, differs in the direction perpendicular | vertical to a base material.

 図2は、本発明の熱電変換素子の他の一例を模式的に示す概略断面図である。
 図2に示す熱電変換素子20は、基材22と、第1の電極24と、熱電変換層28と、第2の電極26とをこの順に有する素子である。
 ここで、熱電変換層28は、第1の電極24から第2の電極16向かう方向、すなわち、基材22の主面に垂直な方向において、ドープ率すなわちドーパントの平均密度が異なる2つの領域、第1の領域28aおよび第2の領域28bを有してなる。第1の領域28aと第2の領域28bとは、略同じ大きさである。また、第1の電極24側の第1の領域28a内のドーパントの量は、第2の電極26側の第2の領域28b内のドーパントの量よりも多い。また、第1の領域28aおよび第2の領域28bにおいて、それぞれドーパントは略均一に分散されている。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view schematically showing another example of the thermoelectric conversion element of the present invention.
The thermoelectric conversion element 20 shown in FIG. 2 is an element having a base material 22, a first electrode 24, a thermoelectric conversion layer 28, and a second electrode 26 in this order.
Here, in the direction from the first electrode 24 to the second electrode 16, that is, in the direction perpendicular to the main surface of the base material 22, the thermoelectric conversion layer 28 has two regions having different doping rates, that is, average dopant densities, The first region 28a and the second region 28b are provided. The first region 28a and the second region 28b have substantially the same size. Further, the amount of dopant in the first region 28a on the first electrode 24 side is larger than the amount of dopant in the second region 28b on the second electrode 26 side. In addition, the dopant is dispersed substantially uniformly in each of the first region 28a and the second region 28b.

 また、図2に示す熱電変換素子20は、矢印で示される方向の温度差を利用して起電力すなわち電圧を得る態様であり、熱源50と、基材22を介して第1の電極24側で接触される。すなわち、図2においては、基材22の、第1の電極24が積層される面とは反対側の面である下面が接触部に相当する。 Further, the thermoelectric conversion element 20 shown in FIG. 2 is a mode in which an electromotive force, that is, a voltage is obtained by using a temperature difference in the direction indicated by the arrow, and the first electrode 24 side through the heat source 50 and the base material 22. Touched with. That is, in FIG. 2, the lower surface of the base material 22 that is the surface opposite to the surface on which the first electrode 24 is laminated corresponds to the contact portion.

 このように、基材22に垂直な方向に電極対および熱電変換層28を順次積層する構成の場合にも、ドーパントの含有量が多い、第1の電極24側である第1の領域28a側を高温部側とし、ドーパントの含有量が少ない、第2の電極26側である第2の領域28b側を低温部側とすることができる。これにより、高温部側のキャリアの数を増加させて、低温部側とのキャリア数差を増大させて、温度に起因するキャリア数差以上に差を増大させることができ、電極対間に発生する電位差を大きくして、熱起電力を向上させることができる。従って、熱電特性を向上し、変換効率を向上させることができる。 As described above, even when the electrode pair and the thermoelectric conversion layer 28 are sequentially stacked in the direction perpendicular to the base material 22, the first region 28 a side, which is the first electrode 24 side, has a large dopant content. Can be the high temperature portion side, and the second region 28b side, which is the second electrode 26 side with a low dopant content, can be the low temperature portion side. This increases the number of carriers on the high-temperature part side, increases the difference in the number of carriers with the low-temperature part side, and can increase the difference more than the difference in the number of carriers due to the temperature. By increasing the potential difference, the thermoelectromotive force can be improved. Therefore, thermoelectric characteristics can be improved and conversion efficiency can be improved.

 また、図1に示す態様においては、熱電変換層は、ドープ率が異なる2つの領域を有してなる構成としたが、本発明は、これに限定はされず、ドープ率が異なる3以上の領域を有していてもよい。また、その際、ドープ率は、一方の電極から他方の電極に向かうに従って、漸次、小さくなるのが好ましい。 Moreover, in the aspect shown in FIG. 1, although the thermoelectric conversion layer was set as the structure which has two area | regions with different dope rates, this invention is not limited to this, 3 or more with different dope rates It may have a region. At that time, it is preferable that the doping rate gradually decreases from one electrode to the other electrode.

 図3は、本発明の熱電変換素子の他の一例を模式的に示す概略断面図である。
 図3に示す熱電変換素子40は、基材42と、第1の電極44と、第2の電極46と、熱電変換層48とを有する。
 図3に示すように、熱電変換素子40は、第1の電極44および第2の電極46が基材42上の離間した位置にそれぞれ積層されて、さらに、第1の電極44および第2の電極46を覆うように基材42上に熱電変換層48が積層されている。
FIG. 3 is a schematic cross-sectional view schematically showing another example of the thermoelectric conversion element of the present invention.
The thermoelectric conversion element 40 shown in FIG. 3 includes a base material 42, a first electrode 44, a second electrode 46, and a thermoelectric conversion layer 48.
As shown in FIG. 3, the thermoelectric conversion element 40 includes a first electrode 44 and a second electrode 46 that are laminated at spaced positions on the base material 42, and further, the first electrode 44 and the second electrode 46. A thermoelectric conversion layer 48 is laminated on the base material 42 so as to cover the electrode 46.

 ここで、熱電変換層48は、第1の電極44から第2の電極に向かう方向において、ドープ率が異なる5つの領域、領域49a~49eを有してなる。各領域49a~49eは、略同じ大きさである。また、第1の電極44側の領域49a内のドープ率が最も高く、第2の電極46側の領域ほどドープ率が低くなり、第2の電極46側の領域49e内のドープ率が最も低い。
 従って、熱電変換素子40は、領域49aと領域49bと領域49cの略半分とからなる、熱電変換層48の半分の領域である第1の領域48aにおけるドープ率の平均が、領域49cの略半分と領域49dと領域49eとからなる、熱電変換層48の半分の領域である第2の領域48bにおけるドープ率の平均よりも大きい。
Here, the thermoelectric conversion layer 48 includes five regions 49a to 49e having different doping rates in the direction from the first electrode 44 to the second electrode. Each region 49a to 49e has substantially the same size. Further, the doping rate in the region 49a on the first electrode 44 side is the highest, the doping rate is lower in the region on the second electrode 46 side, and the doping rate in the region 49e on the second electrode 46 side is the lowest. .
Therefore, in the thermoelectric conversion element 40, the average doping ratio in the first region 48a, which is the half region of the thermoelectric conversion layer 48, which includes the regions 49a, 49b, and 49c, is approximately half that of the region 49c. And an average doping ratio in the second region 48b, which is a half region of the thermoelectric conversion layer 48, including the region 49d and the region 49e.

 また、図3に示す熱電変換素子40は、矢印で示される方向の温度差を利用して起電力すなわち電圧を得る態様である。 Moreover, the thermoelectric conversion element 40 shown in FIG. 3 is an aspect which obtains an electromotive force, ie, voltage, using the temperature difference of the direction shown by the arrow.

 このように、ドープ率が異なる3以上の領域を有する構成の場合にも、ドーパントの含有量が多い、第1の電極44側である第1の領域48a側を高温部側とし、ドーパントの含有量が少ない、第2の電極46側である第2の領域48b側を低温部側とすることができる。これにより、高温部側のキャリアの数を増加させて、低温部側とのキャリア数差を増大させて、温度に起因するキャリア数差以上に差を増大させることができ、電極対間に発生する電位差を大きくして、熱起電力を向上させることができる。従って、熱電特性を向上し、変換効率を向上させることができる。 Thus, even in the case of a configuration having three or more regions having different doping rates, the first region 48a side, which is the first electrode 44 side, which has a high dopant content, is the high temperature part side, and the dopant content The second region 48b side, which is the second electrode 46 side with a small amount, can be the low temperature part side. This increases the number of carriers on the high-temperature part side, increases the difference in the number of carriers with the low-temperature part side, and can increase the difference more than the difference in the number of carriers due to the temperature. By increasing the potential difference, the thermoelectromotive force can be improved. Therefore, thermoelectric characteristics can be improved and conversion efficiency can be improved.

 ここで、図3に示す熱電変換素子40では、熱電変換層48内のドープ率は、第1の電極44から第2の電極46に向かうに従って、漸次、小さくなる構成としたが、これに限定はされず、熱電変換層48の半分の領域である第1の領域48aにおけるドープ率が、熱電変換層48の半分の領域である第2の領域48bにおけるドープ率よりも大きい構成であれば、各領域49a~49eの平均密度の関係は特に限定はされない。しかしながら、一方の電極側から他方の電極側に向かうに従って、漸次、小さくなる構成とすることが好ましい。
 また、熱電変換層48は、少なくとも第1の電極44側の領域49aにドーパントが含有されていれば、ドーパントが含有されていない領域を有してもよい。
Here, in the thermoelectric conversion element 40 shown in FIG. 3, the doping rate in the thermoelectric conversion layer 48 is configured to gradually decrease from the first electrode 44 toward the second electrode 46, but this is not limitative. If the constitution is such that the doping rate in the first region 48a, which is a half region of the thermoelectric conversion layer 48, is larger than the doping rate in the second region 48b, which is a half region of the thermoelectric conversion layer 48, The relationship between the average densities of the regions 49a to 49e is not particularly limited. However, it is preferable to gradually reduce the size from one electrode side to the other electrode side.
Further, the thermoelectric conversion layer 48 may have a region that does not contain a dopant as long as the dopant is contained in at least the region 49 a on the first electrode 44 side.

 また、図3に示す熱電変換素子40においては、各領域49a~49eは略同じ大きさとしたが、これに限定はされず、各領域の大きさは異なっていてもよい。
 また、一方の電極に接する領域におけるドープ率すなわちドーパントの平均密度が、他方の電極に接する領域におけるドープ率すなわちドーパントの平均密度よりも大きいことが好ましい。すなわち、図3に示す例においては、第1の電極44に接する領域49aにおけるドープ率が、第2の電極46に接する領域49eにおけるドープ率よりも大きいことが好ましい。
In the thermoelectric conversion element 40 shown in FIG. 3, the regions 49a to 49e have substantially the same size, but the present invention is not limited to this, and the sizes of the regions may be different.
Moreover, it is preferable that the dope rate in the area | region which contact | connects one electrode, ie, the average density of a dopant, is larger than the dope rate in the area | region which touches the other electrode, ie, the average density of a dopant. That is, in the example shown in FIG. 3, the doping rate in the region 49 a in contact with the first electrode 44 is preferably larger than the doping rate in the region 49 e in contact with the second electrode 46.

 また、本発明においては、図4に示すように、互いに隣接する熱電変換素子30と共通の基材31を用い、一の熱電変換素子30における第2の電極33と、それと隣接する他の熱電変換素子30の第1の電極32とを電気的に接続することにより、各熱電変換素子30を直列で接続させたモジュール300としてもよい。
 なお、図4に示す熱電変換素子30は、図2に示す熱電変換素子20と同様に、基材31の主面に垂直な方向において、電極対である第1の電極32と第2の電極33とが熱電変換層34を挟むように積層されているので、熱電変換層34は、基材31の主面に垂直な方向において、ドープ率が異なる2つの領域、第1の領域34aおよび第2の領域34bを有してなる。また、第1の電極32側の第1の領域34a内のドープ率すなわちドーパントの量は、第2の電極33側の第2の領域34b内のドープ率すなわちドーパントの量よりも大きい。
In the present invention, as shown in FIG. 4, a base material 31 common to the thermoelectric conversion elements 30 adjacent to each other is used, and the second electrode 33 in one thermoelectric conversion element 30 and other thermoelectric elements adjacent to the second electrode 33 are used. It is good also as the module 300 which connected each thermoelectric conversion element 30 in series by electrically connecting with the 1st electrode 32 of the conversion element 30. FIG.
The thermoelectric conversion element 30 shown in FIG. 4 is similar to the thermoelectric conversion element 20 shown in FIG. 2 in that the first electrode 32 and the second electrode that are electrode pairs in the direction perpendicular to the main surface of the substrate 31. 33 are stacked so as to sandwich the thermoelectric conversion layer 34, the thermoelectric conversion layer 34 has two regions with different doping rates, the first region 34 a and the first region 34 in the direction perpendicular to the main surface of the base material 31. 2 regions 34b. In addition, the doping rate in the first region 34a on the first electrode 32 side, that is, the amount of dopant is larger than the doping rate in the second region 34b on the second electrode 33 side, that is, the amount of dopant.

 次に、本発明の熱電変換素子を構成する基材、電極、熱電変換層などの各層について詳述する。 Next, each layer such as a base material, an electrode, and a thermoelectric conversion layer constituting the thermoelectric conversion element of the present invention will be described in detail.

 <基材>
 本発明の熱電変換素子が有する基材は特に限定されないが、電極の形成や熱電変換層の形成時に影響を受けにくい基材を選択することが好ましい。
 このような基材としては、例えば、ガラス、透明セラミックス、金属、プラスチックフィルム等が挙げられ、中でも、コストや柔軟性の観点から、プラスチックフィルムが好ましい。
 プラスチックフィルムの具体例としては、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンイソフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリ(1,4-シクロヘキシレンジメチレンテレフタレート)、ポリエチレン-2,6-フタレンジカルボキシレート、ビスフェノールAとイソ及びテレフタル酸とのポリエステルフィルム等のポリエステルフィルム;ゼオノアフィルム(日本ゼオン株式会社製)、アートンフィルム(JSR株式会社製)、スミライトFS1700(住友ベークライト株式会社製)等のポリシクロオレフィンフィルム;カプトン(東レ・デュポン株式会社製)、アピカル(株式会社カネカ製)、ユービレックス(宇部興産株式会社製)、ポミラン(荒川化学工業株式会社製)等のポリイミドフィルム;ピュアエース(帝人化成株式会社製)、エルメック(株式会社カネカ製)等のポリカーボネートフィルム;スミライトFS1100(住友ベークライト株式会社製)等のポリエーテルエーテルケトンフィルム;トレリナ(東レ株式会社製)等のポリフェニルスルフィドフィルム;等が挙げられる。
 これらのうち、入手の容易性、100℃以上の耐熱性、経済性及び効果の観点から、市販のポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、各種ポリイミドやポリカーボネートフィルム等が好ましい。
<Base material>
Although the base material which the thermoelectric conversion element of this invention has is not specifically limited, It is preferable to select the base material which is hard to be influenced at the time of formation of an electrode or the formation of a thermoelectric conversion layer.
Examples of such a substrate include glass, transparent ceramics, metal, and plastic film. Among these, a plastic film is preferable from the viewpoint of cost and flexibility.
Specific examples of the plastic film include polyethylene terephthalate, polyethylene isophthalate, polyethylene naphthalate, polybutylene terephthalate, poly (1,4-cyclohexylenedimethylene terephthalate), polyethylene-2,6-phthalenedicarboxylate, and bisphenol A. Polyester film such as polyester film with iso and terephthalic acid; polycycloolefin film such as ZEONOR film (manufactured by ZEON Corporation), ARTON film (manufactured by JSR Corporation), Sumilite FS1700 (manufactured by Sumitomo Bakelite Corporation); Kapton ( Polyimide films such as Toray DuPont Co., Ltd., Apical (Kaneka Co., Ltd.), Ubilex (Ube Industries Co., Ltd.), Pomilan (Arakawa Chemical Industries Co., Ltd.), etc. Rum; Polycarbonate films such as Pure Ace (manufactured by Teijin Chemicals Ltd.) and Elmec (manufactured by Kaneka Corporation); Polyether ether ketone films such as Sumilite FS1100 (manufactured by Sumitomo Bakelite Co., Ltd.); Polyphenyl sulfide film; and the like.
Of these, commercially available polyethylene terephthalate, polyethylene naphthalate, various polyimides, polycarbonate films, and the like are preferable from the viewpoints of availability, heat resistance of 100 ° C. or higher, economy, and effects.

 本発明においては、基材の厚さは使用目的に応じて適宜選択することができるが、例えば、プラスチックフィルムを用いた場合には、一般的には、5~500μmのものを用いることが好ましい。 In the present invention, the thickness of the substrate can be appropriately selected according to the purpose of use. For example, when a plastic film is used, it is generally preferable to use a substrate having a thickness of 5 to 500 μm. .

 <電極>
 本発明の熱電変換素子が有する電極は特に限定されないが、その材料としては、具体的には、例えば、ITO、ZnO等の透明電極;銀、銅、金、アルミニウムなどの金属電極;CNT、グラフェンなどの炭素材料;PEDOT/PSS等の有機材料;銀、カーボンブラックなどの導電性微粒子を分散した導電性ペースト;銀、銅、アルミニウムなどの金属ナノワイヤーを含有する導電性ペースト等が挙げられる。
<Electrode>
Although the electrode which the thermoelectric conversion element of this invention has is not specifically limited, As a material, specifically, transparent electrodes, such as ITO and ZnO; Metal electrodes, such as silver, copper, gold | metal | money, aluminum; CNT, graphene Carbon materials such as: organic materials such as PEDOT / PSS; conductive paste in which conductive fine particles such as silver and carbon black are dispersed; conductive paste containing metal nanowires such as silver, copper and aluminum.

 <熱電変換層>
 本発明の熱電変換素子が有する熱電変換層は、ドーパントを含有するものであれば特に限定はされない。
 熱電変換層は、少なくとも熱電変換材料およびドーパントを含有する。また、熱電変換層は、高分子材料や無機材料を含有してもよい。
<Thermoelectric conversion layer>
The thermoelectric conversion layer which the thermoelectric conversion element of this invention has will not be specifically limited if a dopant is contained.
The thermoelectric conversion layer contains at least a thermoelectric conversion material and a dopant. The thermoelectric conversion layer may contain a polymer material or an inorganic material.

 (熱電変換材料)
 本発明の熱電変換素子に用いられる熱電変換層が含有する熱電変換材料には、特に限定はなく、従来公知の、導電性高分子、導電性ナノ炭素材料等の有機材料、あるいは、ナノ金属材料(金属含有導電性ナノ材料)、無機酸化物半導体等の無機材料等の熱電変換材料を用いることができる。本発明においては、熱電変換材料として、導電性高分子や導電性ナノ炭素材料等の有機材料を用いることが好ましく、特に、導電性高分子を用いることが好ましい。また、これらを1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
(Thermoelectric conversion material)
The thermoelectric conversion material contained in the thermoelectric conversion layer used in the thermoelectric conversion element of the present invention is not particularly limited, and conventionally known organic materials such as conductive polymers and conductive nanocarbon materials, or nanometallic materials. Thermoelectric conversion materials such as (metal-containing conductive nanomaterials) and inorganic materials such as inorganic oxide semiconductors can be used. In the present invention, it is preferable to use an organic material such as a conductive polymer or a conductive nanocarbon material as the thermoelectric conversion material, and it is particularly preferable to use a conductive polymer. Moreover, these may be used individually by 1 type and may use 2 or more types together.

  (導電性高分子)
 本発明において、熱電変換材料として利用する導電性高分子は特に限定はされず、従来公知の導電性高分子を用いることができる。
 例えば、導電性高分子としては、共役系の分子構造を有する高分子化合物を用いることができる。ここで、共役系の分子構造を有する高分子とは、高分子の主鎖上の炭素-炭素結合において、一重結合と二重結合とが交互に連なる構造を有している高分子である。また、本発明で用いる導電性高分子は、必ずしも高分子量化合物である必要はなく、オリゴマー化合物であってもよい。
(Conductive polymer)
In the present invention, the conductive polymer used as the thermoelectric conversion material is not particularly limited, and a conventionally known conductive polymer can be used.
For example, as the conductive polymer, a polymer compound having a conjugated molecular structure can be used. Here, the polymer having a conjugated molecular structure is a polymer having a structure in which a single bond and a double bond are alternately connected in a carbon-carbon bond on the main chain of the polymer. Further, the conductive polymer used in the present invention is not necessarily a high molecular weight compound, and may be an oligomer compound.

 このような共役系高分子としては、チオフェン系化合物、ピロール系化合物、アニリン系化合物、アセチレン系化合物、p-フェニレン系化合物、p-フェニレンビニレン系化合物、p-フェニレンエチニレン系化合物、p-フルオレニレンビニレン系化合物、ポリアセン系化合物、ポリフェナントレン系化合物、金属フタロシアニン系化合物、p-キシリレン系化合物、ビニレンスルフィド系化合物、m-フェニレン系化合物、ナフタレンビニレン系化合物、p-フェニレンオキシド系化合物、フェニレンスルフィド系化合物、フラン系化合物、セレノフェン系化合物、アゾ系化合物、金属錯体系化合物、及びこれらの化合物に置換基を導入した誘導体などをモノマーとし、当該モノマーから誘導される繰り返し単位を有する共役系高分子が挙げられる。 Such conjugated polymers include thiophene compounds, pyrrole compounds, aniline compounds, acetylene compounds, p-phenylene compounds, p-phenylene vinylene compounds, p-phenylene ethynylene compounds, p-full Olenylene vinylene compound, polyacene compound, polyphenanthrene compound, metal phthalocyanine compound, p-xylylene compound, vinylene sulfide compound, m-phenylene compound, naphthalene vinylene compound, p-phenylene oxide compound, phenylene Sulfuric compounds, furan compounds, selenophene compounds, azo compounds, metal complex compounds, and derivatives having substituents introduced into these compounds as monomers, and conjugated compounds having repeating units derived from the monomers Min And the like.

 このような導電性高分子としては、例えば、特開2013-084947の[0011]~[0040]段落に記載されたものを適宜採用することができる。 As such a conductive polymer, for example, those described in paragraphs [0011] to [0040] of JP2013-084947A can be appropriately employed.

  (導電性ナノ炭素材料)
 本発明において、熱電変換材料として利用する導電性ナノ炭素材料は特に限定はされず、従来公知のナノ炭素材料(炭素含有導電性ナノ材料)を用いることができる。
 また、導電性ナノ材料のサイズは、1μm未満のナノサイズであれば特に限定されないが、例えば、後述するカーボンナノチューブ、カーボンナノファイバーなどについては、平均短径がナノサイズ、例えば、平均短径が500nm以下であればよい。
(Conductive nanocarbon material)
In the present invention, the conductive nanocarbon material used as the thermoelectric conversion material is not particularly limited, and a conventionally known nanocarbon material (carbon-containing conductive nanomaterial) can be used.
In addition, the size of the conductive nanomaterial is not particularly limited as long as it is a nanosize of less than 1 μm. For example, for carbon nanotubes and carbon nanofibers described later, the average minor axis is nanosized, for example, the average minor axis is What is necessary is just 500 nm or less.

 上記導電性ナノ炭素材料としては、具体的には、例えば、カーボンナノチューブ(以下、「CNT」ともいう。)、カーボンナノファイバー、グラファイト、グラフェン、カーボンナノ粒子等が挙げられ、これらを1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
 これらのうち、熱電特性がより良好となる理由から、CNTであるのが好ましい。
 また、CNTとしては、例えば、国際公開第2012/133314号(特許文献1)の[0017]~[0021]段落や、特開2013-095820号公報(特許文献2)の[0018]~[0022]段落に記載されたものを適宜採用することができる。
 熱電変換材料組成物の固形分量としては、0.01~10%が好ましく、0.05~5%が更に好ましい。
Specific examples of the conductive nanocarbon material include carbon nanotubes (hereinafter also referred to as “CNT”), carbon nanofibers, graphite, graphene, carbon nanoparticles, and the like. Or two or more of them may be used in combination.
Of these, CNT is preferred because of its better thermoelectric properties.
Examples of the CNT include, for example, paragraphs [0017] to [0021] of International Publication No. 2012/133314 (Patent Document 1) and [0018] to [0022] of JP2013-095820 (Patent Document 2). ] Those described in the paragraph can be adopted as appropriate.
The solid content of the thermoelectric conversion material composition is preferably 0.01 to 10%, more preferably 0.05 to 5%.

  (ナノ金属材料)
 本発明において、熱電変換材料として利用するナノ金属材料は特に限定はされず、金属ナノワイヤー等の従来公知のナノ金属材料を用いることができる。
(Nano metal material)
In this invention, the nano metal material utilized as a thermoelectric conversion material is not specifically limited, Conventionally well-known nano metal materials, such as metal nanowire, can be used.

  (無機酸化物半導体)
 本発明において、熱電変換材料として利用する無機酸化物半導体は特に限定はされず、インジウムを含有する無機酸化物半導体等の従来公知の無機酸化物半導体を用いることができる。
 このような無機酸化物半導体としては、例えば、特開2013-102155の[0044]段落に記載されたものを適宜採用することができる。
(Inorganic oxide semiconductor)
In the present invention, the inorganic oxide semiconductor used as the thermoelectric conversion material is not particularly limited, and a conventionally known inorganic oxide semiconductor such as an inorganic oxide semiconductor containing indium can be used.
As such an inorganic oxide semiconductor, for example, those described in paragraph [0044] of JP2013-102155A can be appropriately employed.

 (ドーパント)
 本発明の熱電変換素子に用いられる熱電変換層が含有するドーパントには、特に限定はなく、従来公知の酸化合物、酸化剤、酸性化合物、電子受容体化合物、遷移金属化合物等が挙げられ、これら1種単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
(Dopant)
The dopant contained in the thermoelectric conversion layer used in the thermoelectric conversion element of the present invention is not particularly limited and includes conventionally known acid compounds, oxidizing agents, acidic compounds, electron acceptor compounds, transition metal compounds, and the like. 1 type may be used independently and 2 or more types may be used together.

 ドーパントとして用いられる酸化合物としては、例えば、スルホン酸化合物、カルボン酸化合物、リン酸化合物等を用いることができる。あるいは、オニウム塩化合物等の光酸発生剤に熱または活性エネルギー線を照射して発生する酸化合物を用いることができる。 As the acid compound used as the dopant, for example, a sulfonic acid compound, a carboxylic acid compound, a phosphoric acid compound, or the like can be used. Alternatively, an acid compound generated by irradiating a photoacid generator such as an onium salt compound with heat or active energy rays can be used.

 放射線や電磁波等の活性エネルギー線の照射又は熱の付与等のエネルギー付与によって酸化合物を発生するオニウム塩化合物としては、スルホニウム塩、ヨードニウム塩、アンモニウム塩、カルボニウム塩、ホスホニウム塩等が挙げられる。なかでも、スルホニウム塩、ヨードニウム塩、アンモニウム塩、カルボニウム塩が好ましく、スルホニウム塩、ヨードニウム塩、カルボニウム塩がより好ましい。当該塩を構成するアニオン部分としては、強酸の対アニオンが挙げられる。 Examples of the onium salt compound that generates an acid compound upon application of energy such as irradiation of active energy rays such as radiation or electromagnetic waves or application of heat include sulfonium salts, iodonium salts, ammonium salts, carbonium salts, phosphonium salts, and the like. Of these, sulfonium salts, iodonium salts, ammonium salts, and carbonium salts are preferable, and sulfonium salts, iodonium salts, and carbonium salts are more preferable. Examples of the anion moiety constituting the salt include a strong acid counter anion.

 このようなオニウム塩化合物としては、例えば、特開2013-089798号公報の[0044]~[0068]段落に記載されたものを適宜採用することができる。 As such onium salt compounds, for example, those described in paragraphs [0044] to [0068] of JP-A-2013-089798 can be appropriately employed.

 また、ドーパントとして利用することができる酸化剤、酸性化合物、電子受容体化合物、遷移金属化合物としては、例えば、特開2013-089798号公報の[0069]~[0083]段落に記載されたものを適宜採用することができる。 Examples of the oxidizing agent, acidic compound, electron acceptor compound, and transition metal compound that can be used as a dopant include those described in paragraphs [0069] to [0083] of JP2013-089798A. It can be adopted as appropriate.

 本発明においては、ドーパントとして酸化合物を用いると、副反応を起こさずに効率よくドーピングできるため、熱電特性が良好となる点で好ましい。特に、オニウム塩化合物に活性エネルギー線の照射又は熱の付与等のエネルギー付与によって発生する酸化合物を用いることが、ドーパントの密度を調整しやすく簡易に製造できる点で、好ましい。 In the present invention, it is preferable to use an acid compound as a dopant because it can be efficiently doped without causing a side reaction, and the thermoelectric characteristics are improved. In particular, it is preferable to use an acid compound generated by energy application such as irradiation of active energy rays or application of heat to the onium salt compound in terms of easy adjustment of the dopant density and easy production.

 本発明において、熱電変換材料のうちドーピング対象物となる材料とドーパントとのモル比をドープ率とすると、熱電変換層の第1の領域におけるドープ率の平均値は、3mol%~10mol%を満たすことが好ましい。これにより、高温部側のキャリアの数を増加させて電極対間に発生する電位差を大きくして、熱起電力を向上させることができる。
 なお、本明細書において「~」を用いて表される数値範囲は、「~」の前後に記載される数値を下限値および上限値として含む範囲を意味する。
In the present invention, when the molar ratio between the material to be doped and the dopant in the thermoelectric conversion material is a doping ratio, the average value of the doping ratio in the first region of the thermoelectric conversion layer satisfies 3 mol% to 10 mol%. It is preferable. As a result, the number of carriers on the high temperature side can be increased to increase the potential difference generated between the electrode pairs, thereby improving the thermoelectromotive force.
In the present specification, a numerical range represented by using “to” means a range including numerical values described before and after “to” as a lower limit value and an upper limit value.

 また、熱電変換層の第1の領域におけるドープ率と第2の領域におけるドープ率との差が、3mol%~10mol%であることが好ましい。これにより、高温部側と低音部側とのキャリア数差を増大させて電極対間に発生する電位差を大きくして、熱起電力を向上させることができる。 Further, the difference between the doping rate in the first region and the doping rate in the second region of the thermoelectric conversion layer is preferably 3 mol% to 10 mol%. Thereby, the difference in the number of carriers between the high temperature part side and the low sound part side can be increased to increase the potential difference generated between the electrode pairs, thereby improving the thermoelectromotive force.

 なお、ドーパントとして、オニウム塩化合物に熱または活性エネルギー線を照射して発生する酸化合物を用いる場合など、ドーパントとなる物質を直接、添加しない場合、すなわち、ドーパントの量を直接測定できない場合には、オニウム塩化合物などのドープ剤とドーピング対象物とのモル比をドープ率とみなす。 In addition, when using an acid compound generated by irradiating an onium salt compound with heat or active energy rays as a dopant, when a substance serving as a dopant is not added directly, that is, when the amount of dopant cannot be measured directly The molar ratio between a dopant such as an onium salt compound and a doping object is regarded as a doping rate.

 (他の成分)
 本発明の熱電変換層は、熱電変換材料及びドーパント以外に他の成分を含有してもよい。
 例えば、酸化防止剤、対光安定剤、耐熱安定剤、可塑剤等を適宜含有してもよい。これらの成分の含有量は、材料全質量に対し5質量%以下であることが好ましい。
 酸化防止剤としては、イルガノックス1010(日本チガバイギー株式会社製)、スミライザーGA-80(住友化学工業株式会社製)、スミライザーGS(住友化学工業株式会社製)、スミライザーGM(住友化学工業株式会社製)等が挙げられる。
 耐光安定剤としては、TINUVIN 234(BASF社製)、CHIMASSORB 81(BASF社製)、サイアソーブUV-3853(サンケミカル株式会社製)等が挙げられる。
 耐熱安定剤としては、IRGANOX 1726(BASF社製)が挙げられる。
 可塑剤としては、アデカサイザーRS(株式会社アデカ製)等が挙げられる。
(Other ingredients)
The thermoelectric conversion layer of the present invention may contain other components in addition to the thermoelectric conversion material and the dopant.
For example, you may contain antioxidant, a light stabilizer, a heat stabilizer, a plasticizer, etc. suitably. The content of these components is preferably 5% by mass or less based on the total mass of the material.
As antioxidants, Irganox 1010 (manufactured by Nippon Ciga-Beegie Co., Ltd.), Sumilizer GA-80 (manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.), Sumilizer GS (manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.), Sumilizer GM (manufactured by Sumitomo Chemical Co., Ltd.) ) And the like.
Examples of the light resistance stabilizer include TINUVIN 234 (manufactured by BASF), CHIMASSORB 81 (manufactured by BASF), and Siasorb UV-3853 (manufactured by Sun Chemical Co., Ltd.).
Examples of the heat stabilizer include IRGANOX 1726 (manufactured by BASF).
Examples of the plasticizer include Adeka Sizer RS (manufactured by Adeka Corporation).

 (溶媒)
 熱電変換層の調製にあたっては、適宜溶媒を用いることができる。
 溶媒は、熱電変換材料やドーパント等の熱電変換層の組成物を良好に分散又は溶解できればよく、水、有機溶媒、及びこれらの混合溶媒を用いることができる。好ましくは有機溶媒であり、アルコール、クロロホルムなどのハロゲン系溶媒、DMF、NMP、DMSOなどの極性の有機溶媒、クロロベンゼン、ジクロロベンゼン、ベンゼン、トルエン、キシレン、ピリジン、テトラヒドロナフタレン、メシチレンなどの芳香族系溶媒、シクロヘキサノン、アセトン、メチルエチルケトンなどのケトン系溶媒、ジエチルエーテル、THF、t-ブチルメチルエーテル、ジメトキシエタン、ジグリムなどのエーテル系溶媒等が好ましく使用される。
(solvent)
In preparing the thermoelectric conversion layer, a solvent can be appropriately used.
The solvent should just be able to disperse | distribute or melt | dissolve the composition of thermoelectric conversion layers, such as a thermoelectric conversion material and a dopant favorably, and can use water, an organic solvent, and these mixed solvents. Preferred are organic solvents, halogen solvents such as alcohol and chloroform, polar organic solvents such as DMF, NMP, and DMSO, and aromatic solvents such as chlorobenzene, dichlorobenzene, benzene, toluene, xylene, pyridine, tetrahydronaphthalene, and mesitylene Solvents, ketone solvents such as cyclohexanone, acetone and methyl ethyl ketone, and ether solvents such as diethyl ether, THF, t-butyl methyl ether, dimethoxyethane and diglyme are preferably used.

 また、溶媒は、あらかじめ脱気しておくことが好ましい。溶媒中における溶存酸素濃度を、10ppm以下とすることが好ましい。脱気の方法としては、減圧下超音波を照射する方法、アルゴン等の不活性ガスをバブリングする方法などが挙げられる。
 同様に、溶媒は、あらかじめ脱水しておくことが好ましい。溶媒中における水分量を、1000ppm以下とすることが好ましく、100ppm以下とすることがより好ましい。脱水の方法としては、モレキュラーシーブを用いる方法、蒸留など、公知の方法を用いることができる。
 溶媒は材料の種類等に応じて適量を使用すればよいが、溶液の全質量に対し、90~99.99質量%であることが好ましく、95~99.95質量%であることがより好ましく、98~99.9質量%であることがさらに好ましい。
The solvent is preferably degassed in advance. The dissolved oxygen concentration in the solvent is preferably 10 ppm or less. Examples of the degassing method include a method of irradiating ultrasonic waves under reduced pressure, a method of bubbling an inert gas such as argon, and the like.
Similarly, the solvent is preferably dehydrated in advance. The amount of water in the solvent is preferably 1000 ppm or less, and more preferably 100 ppm or less. As a dehydration method, a known method such as a method using molecular sieve or distillation can be used.
The solvent may be used in an appropriate amount depending on the kind of the material, but is preferably 90 to 99.99% by mass, more preferably 95 to 99.95% by mass with respect to the total mass of the solution. 98 to 99.9% by mass is more preferable.

 (熱電変換層の形成方法)
 本発明の熱電変換素子が有する熱電変換層の形成方法は特に限定されないが、熱電変換層の組成物を溶媒に分散又は溶解した溶液、すなわち、熱電変換層形成用組成物を基材上に塗布し、成膜することにより熱電変換層を形成することができる。なお、ドーパントを直接、溶液中に添加せず、ドープ剤を添加する場合には、成膜した後に、熱または活性エネルギー線を照射してドーピングを行うことにより、熱電変換層を形成することができる。
(Method for forming thermoelectric conversion layer)
The method for forming the thermoelectric conversion layer of the thermoelectric conversion element of the present invention is not particularly limited, but a solution in which the composition of the thermoelectric conversion layer is dispersed or dissolved in a solvent, that is, a composition for forming a thermoelectric conversion layer is applied on a substrate. And a thermoelectric conversion layer can be formed by forming into a film. In addition, when a dopant is not added directly to a solution but a dopant is added, a thermoelectric conversion layer can be formed by irradiating with heat or active energy rays after film formation. it can.

 熱電変換層形成用組成物の調製方法は特に限定されず、熱電変換材料及びドーパントまたはドープ剤、必要に応じて他の成分を混合して調製すればよい。適宜溶媒を使用してもよい。調製は通常の混合装置等を用いて常温常圧下で行うことができる。例えば、各成分を溶媒中で撹拌、振とうして溶解又は分散させて調製すればよい。溶解や分散を促進するため超音波処理を行ってもよい。 The preparation method of the composition for forming a thermoelectric conversion layer is not particularly limited, and may be prepared by mixing a thermoelectric conversion material, a dopant or a dopant, and other components as required. You may use a solvent suitably. The preparation can be carried out at ordinary temperature and pressure using an ordinary mixing apparatus or the like. For example, each component may be prepared by dissolving or dispersing in a solvent by stirring and shaking. Sonication may be performed to promote dissolution and dispersion.

 成膜方法は特に限定されず、例えば、スピンコート、エクストルージョンダイコート、ブレードコート、バーコート、スクリーン印刷、ステンシル印刷、ロールコート、カーテンコート、スプレーコート、ディップコート、インクジェット法など、公知の塗布方法を用いることができる。
 また、塗布後は、必要に応じて乾燥工程を行う。例えば、熱風を吹き付けることにより溶媒を揮発、乾燥させることができる。
The film forming method is not particularly limited. For example, known coating methods such as spin coating, extrusion die coating, blade coating, bar coating, screen printing, stencil printing, roll coating, curtain coating, spray coating, dip coating, and inkjet method. Can be used.
Moreover, after application | coating, a drying process is performed as needed. For example, the solvent can be volatilized and dried by blowing hot air.

 本発明においては、熱電変換層の膜厚は、温度差を付与する観点等から、0.1μm~1000μmであることが好ましく、1μm~100μmであることがより好ましい。 In the present invention, the thickness of the thermoelectric conversion layer is preferably 0.1 μm to 1000 μm, more preferably 1 μm to 100 μm, from the viewpoint of imparting a temperature difference.

 熱電変換層形成用組成物がドープ剤としてオニウム塩化合物等の光酸発生剤を含む場合、成膜後にドーピングのために加熱又は活性エネルギー線照射を行う。この処理によってオニウム塩化合物から酸化合物が発生し、例えば、この酸化合物が導電性高分子をプロトン化することにより導電性高分子が正の電荷でドーピングされる。
 活性エネルギー線には、放射線や電磁波が包含され、放射線には粒子線(高速粒子線)と電磁放射線が包含される。粒子線としては、アルファ線(α線)、ベータ線(β線)、陽子線、原子核崩壊によらず加速器で電子を加速する電子線、重陽子線等の荷電粒子線、非荷電粒子線である中性子線、宇宙線等が挙げられ、電磁放射線としては、ガンマ線(γ線)、エックス線(X線、軟X線)が挙げられる。電磁波としては、電波、赤外線、可視光線、近紫外線、遠紫外線、極紫外線、X線、ガンマ線などがあげられる。本発明において用いる線種は特に限定されず、例えば、使用するオニウム塩化合物の極大吸収波長付近の波長を有する電磁波を適宜選べばよい。
 これらの活性エネルギー線のうち、ドーピング効果および安全性の観点から好ましいのは紫外線、可視光線、赤外線であり、より好ましいのは紫外線である。具体的には240~1100nm、好ましくは300~850nm、より好ましくは350~670nmに極大吸収を有する光線である。
When the composition for forming a thermoelectric conversion layer contains a photoacid generator such as an onium salt compound as a dopant, heating or irradiation with active energy rays is performed for doping after film formation. By this treatment, an acid compound is generated from the onium salt compound. For example, the acid compound protonates the conductive polymer, so that the conductive polymer is doped with a positive charge.
Active energy rays include radiation and electromagnetic waves, and radiation includes particle beams (high-speed particle beams) and electromagnetic radiation. As particle beams, alpha rays (α rays), beta rays (β rays), proton beams, electron beams that accelerate electrons with an accelerator regardless of nuclear decay, deuteron charged particles, and uncharged particles A certain neutron beam, a cosmic ray, etc. are mentioned, As an electromagnetic radiation, a gamma ray (gamma ray) and an X ray (X ray, soft X ray) are mentioned. Examples of electromagnetic waves include radio waves, infrared rays, visible rays, near ultraviolet rays, far ultraviolet rays, extreme ultraviolet rays, X-rays, and gamma rays. The line type used in the present invention is not particularly limited, and for example, an electromagnetic wave having a wavelength near the maximum absorption wavelength of the onium salt compound to be used may be appropriately selected.
Of these active energy rays, ultraviolet rays, visible rays, and infrared rays are preferable from the viewpoint of doping effect and safety, and ultraviolet rays are more preferable. Specifically, the light beam has a maximum absorption at 240 to 1100 nm, preferably 300 to 850 nm, more preferably 350 to 670 nm.

 ここで、前述のとおり、本発明においては、熱電変換層は、領域ごとにドープ率、すなわち、ドーパントの密度が異なるように形成される。
 ドープ率、すなわち、ドーパントの密度が異なる熱電変換層の形成方法としては、図1、図3に示す熱電変換素子のように、基材の主面に平行な方向にドーパントの密度が異なる領域を有する熱電変換層の場合には、ドーパントの含有割合が異なる熱電変換層形成用組成物を、それぞれマスキングによって所望の領域に成膜することによってドーパントの密度が異なる領域を有する熱電変換層を形成することができる。
 あるいは、オニウム塩化合物等の光酸発生剤を含有し、熱または活性エネルギー線を照射してドーピングを行う場合には、ドープ剤を含む熱電変換層形成用組成物を成膜した後に、所望の領域にのみ熱または活性エネルギー線を照射してドーピングを行うことによって、ドーパントの密度が異なる領域を有する熱電変換層を形成することができる。
Here, as described above, in the present invention, the thermoelectric conversion layer is formed so that the doping rate, that is, the density of the dopant is different for each region.
As a method of forming a thermoelectric conversion layer having a different doping rate, that is, a dopant density, a region having a different dopant density in a direction parallel to the main surface of the substrate is used, as in the thermoelectric conversion element shown in FIGS. In the case of having a thermoelectric conversion layer, a thermoelectric conversion layer having regions with different dopant densities is formed by forming a composition for forming a thermoelectric conversion layer having a different dopant content in each desired region by masking. be able to.
Alternatively, when a photoacid generator such as an onium salt compound is contained and doping is performed by irradiation with heat or active energy rays, a desired composition is formed after forming the thermoelectric conversion layer forming composition containing the dopant. By performing doping by irradiating only the region with heat or active energy rays, a thermoelectric conversion layer having regions with different dopant densities can be formed.

 また、図2に示す熱電変換素子のように、基材に垂直な方向にドープ率が異なる領域を有する熱電変換層を形成する場合には、ドーパントの含有割合が異なる熱電変換層形成用組成物を、順次、積層して成膜することによってドープ率が異なる領域を有する熱電変換層を形成することができる。あるいは、ドープ剤を含む場合には、一方の面から熱または活性エネルギー線を照射してドーピングを行って、ドープ率が異なる層を形成してもよい。 Moreover, when forming the thermoelectric conversion layer which has an area | region where dope rates differ in the direction perpendicular | vertical to a base material like the thermoelectric conversion element shown in FIG. 2, the composition for thermoelectric conversion layer formation from which the content rate of a dopant differs The thermoelectric conversion layers having regions with different doping rates can be formed by sequentially laminating and forming films. Alternatively, when a doping agent is included, layers having different doping rates may be formed by performing irradiation by irradiating heat or active energy rays from one surface.

 以下、実施例により、本発明についてさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。 Hereinafter, although an Example demonstrates this invention further in detail, this invention is not limited to these.

〔実施例1〕
 <熱電変換素子の作製>
 実施例1として図1に示す態様の熱電変換素子を作製した。
 熱電変換材料として、導電性高分子〔ポリ-3-ヘキシルチオフェン(分子量:Mw20000、アルドリッチ社製)〕を用い、この導電性高分子10mg(モノマー換算で0.059mol)、および、単層CNT〔KHケミカル製 lot番号:HM-100208〕4mgを、オルトジクロロベンゼン20ml中に添加し、メカニカルな撹拌装置で20分間撹拌した。その後、超音波洗浄機(アズワン株式会社製 US-150)を用いて、30℃で40分間、超音波分散することによって分散液Aを調製した。
 次に、調整した分散液Aにドープ剤としてオニウム塩化合物である[化1]に示す化合物4mg(0.0039mol)を室温で添加して熱電変換層形成用組成物である分散液Bを調製した。
 ここで、ドーピング対象物である導電性高分子と、ドープ剤であるオニウム塩化合物とのモル比すなわちドープ率は、6.6mol%であった。
[Example 1]
<Production of thermoelectric conversion element>
As Example 1, a thermoelectric conversion element having the form shown in FIG.
As a thermoelectric conversion material, a conductive polymer [poly-3-hexylthiophene (molecular weight: Mw 20000, manufactured by Aldrich)] was used, and 10 mg (0.059 mol in terms of monomer) of this conductive polymer, and single-walled CNT [ 4 mg of KH Chemical lot number: HM-100208] was added to 20 ml of orthodichlorobenzene and stirred for 20 minutes with a mechanical stirring device. Thereafter, a dispersion A was prepared by ultrasonic dispersion at 30 ° C. for 40 minutes using an ultrasonic cleaner (US-150, manufactured by AS ONE Corporation).
Next, 4 mg (0.0039 mol) of the compound represented by [Chemical Formula 1] which is an onium salt compound as a dopant is added to the prepared dispersion A at room temperature to prepare dispersion B which is a composition for forming a thermoelectric conversion layer. did.
Here, the molar ratio, that is, the doping ratio, between the conductive polymer as the doping target and the onium salt compound as the doping agent was 6.6 mol%.

Figure JPOXMLDOC01-appb-C000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000001

 一方、基材として厚さ1.1mm、大きさ40mm×50mmのガラス基板を用いた。この基材をアセトン中で超音波洗浄した後、10分間UV-オゾン処理を行った。
 その後、この基材上の両端部側それぞれに、大きさ30mm×5mm、厚さ10nmの金を第1の電極および第2の電極として形成した。
On the other hand, a glass substrate having a thickness of 1.1 mm and a size of 40 mm × 50 mm was used as the base material. This substrate was ultrasonically cleaned in acetone and then subjected to UV-ozone treatment for 10 minutes.
Thereafter, gold having a size of 30 mm × 5 mm and a thickness of 10 nm was formed as a first electrode and a second electrode on both ends of the substrate.

 調製した分散液Bのクロロホルム溶液を、電極が形成された基材上にテフロン(登録商標)製の枠を貼り付け、その枠内に溶液を流し込み、60℃のホットプレート上で1時間乾燥させ、乾燥後に枠を取り外し、厚さ約1.1μmの導電膜を形成した。
 その後、紫外線照射機(アイグラフィックス株式会社製 ECS-401GX)を用いて形成した膜の半分に対して、光量200mJ/cm2で紫外線照射を行い、半分の領域すなわち第1の領域のみドーピングを行って熱電変換層を形成し、図1に示される本発明の熱電変換素子を作製した。
The prepared chloroform solution of dispersion B is affixed with a Teflon (registered trademark) frame on the substrate on which the electrodes are formed, and the solution is poured into the frame and dried on a hot plate at 60 ° C. for 1 hour. After drying, the frame was removed, and a conductive film having a thickness of about 1.1 μm was formed.
After that, half of the film formed using an ultraviolet irradiation machine (ECS-401GX manufactured by Eye Graphics Co., Ltd.) is irradiated with ultraviolet light at a light amount of 200 mJ / cm 2 , so that only the half region, ie, the first region is doped. The thermoelectric conversion layer was formed and the thermoelectric conversion element of this invention shown by FIG. 1 was produced.

〔実施例2〕
 ドーパントとしてオニウム塩化合物に代えてヨウ素1.4mg(0.0055mol)を使用した以外は、実施例1と同様にして熱電変換層形成用組成物である分散液Cを調製した。
 ここで、第1の領域におけるドープ率は、9.3mol%であった。
 また、ヨウ素を含有しない以外は、分散液Cと同様の分散液、すなわち、分散液Aを調製した。
[Example 2]
Dispersion C, which is a composition for forming a thermoelectric conversion layer, was prepared in the same manner as in Example 1 except that 1.4 mg (0.0055 mol) of iodine was used in place of the onium salt compound as a dopant.
Here, the doping rate in the first region was 9.3 mol%.
Further, a dispersion similar to the dispersion C, that is, the dispersion A was prepared except that no iodine was contained.

 次に、まず、第1の領域となる部分、すなわち、第1の電極側以外の領域をマスキングして、分散液Cを基材上に塗布・乾燥して熱電変換層の第1の領域を成膜した。その後、第2の領域となる部分、すなわち、第2の電極側以外の領域をマスキングして、分散液Aを基材上に塗布・乾燥して熱電変換層の第2の領域を成膜し、熱電変換層を形成して、実施例2の熱電変換素子を作製した。
 なお、用いた基材は、実施例1と同様のものであり、第1の電極および第2の電極が予め形成されている。
Next, first, a portion to be the first region, that is, a region other than the first electrode side is masked, and the dispersion C is applied and dried on the base material to form the first region of the thermoelectric conversion layer. A film was formed. Thereafter, the second region, that is, the region other than the second electrode side is masked, and the dispersion A is applied to the substrate and dried to form the second region of the thermoelectric conversion layer. The thermoelectric conversion layer of Example 2 was produced by forming a thermoelectric conversion layer.
In addition, the used base material is the same as that of Example 1, and the first electrode and the second electrode are formed in advance.

〔実施例3〕
 ドーパントとしてヨウ素に代えて塩化鉄(III)0.73mg(0.0045mol)を使用した以外は、実施例2と同様にして熱電変換素子を作製した。
 ここで、第1の領域におけるドープ率は、7.6mol%であった。
Example 3
A thermoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 2 except that 0.73 mg (0.0045 mol) of iron (III) chloride was used instead of iodine as a dopant.
Here, the doping rate in the first region was 7.6 mol%.

〔実施例4〕
 ドーパントとしてヨウ素に代えてカンファースルホン酸0.7mg(0.003mol)を使用した以外は、実施例2と同様にして熱電変換素子を作製した。
 ここで、第1の領域におけるドープ率は、5.1mol%であった。
Example 4
A thermoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 2, except that 0.7 mg (0.003 mol) of camphorsulfonic acid was used as the dopant instead of iodine.
Here, the doping rate in the first region was 5.1 mol%.

〔実施例5〕
 分散液B中のオニウム塩化合物の量を変更して、第1の領域のドープ率を2mol%とした以外は、実施例1と同様にして熱電変換素子を作製した。
Example 5
A thermoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1 except that the amount of the onium salt compound in the dispersion B was changed so that the doping rate of the first region was 2 mol%.

〔実施例6〕
 分散液B中のオニウム塩化合物の量を変更して、第1の領域のドープ率を3mol%とした以外は、実施例1と同様にして熱電変換素子を作製した。
Example 6
A thermoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1 except that the amount of the onium salt compound in the dispersion B was changed so that the doping rate in the first region was 3 mol%.

〔実施例7〕
 分散液B中のオニウム塩化合物の量を変更して、第1の領域のドープ率を10mol%とした以外は、実施例1と同様にして熱電変換素子を作製した。
Example 7
A thermoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1 except that the amount of the onium salt compound in the dispersion B was changed so that the doping ratio of the first region was 10 mol%.

〔実施例8〕
 分散液B中のオニウム塩化合物の量を変更して、第1の領域のドープ率を12mol%とした以外は、実施例1と同様にして熱電変換素子を作製した。
Example 8
A thermoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1 except that the amount of the onium salt compound in the dispersion B was changed and the doping rate of the first region was changed to 12 mol%.

〔比較例1〕
 紫外線照射よるドーピングを全面に行った以外は、実施例1と同様にして熱電変換素子を作製した。
[Comparative Example 1]
A thermoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 1 except that the entire surface was doped by ultraviolet irradiation.

〔比較例2〕
 ドーパントを含有する導電膜を基材上の全面に成膜した以外は、実施例2と同様にして熱電変換素子を作製した。
[Comparative Example 2]
A thermoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 2 except that the conductive film containing the dopant was formed on the entire surface of the substrate.

〔比較例3〕
 ドーパントを含有する導電膜を基材上の全面に成膜した以外は、実施例3と同様にして熱電変換素子を作製した。
[Comparative Example 3]
A thermoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 3 except that the conductive film containing the dopant was formed on the entire surface of the substrate.

〔比較例4〕
 ドーパントを含有する導電膜を基材上の全面に成膜した以外は、実施例4と同様にして熱電変換素子を作製した。
[Comparative Example 4]
A thermoelectric conversion element was produced in the same manner as in Example 4 except that the conductive film containing the dopant was formed on the entire surface of the substrate.

 作製した各熱電変換素子について、下記の方法によりパワーファクターを評価した。 The power factor of each manufactured thermoelectric conversion element was evaluated by the following method.

〔導電率の測定〕
 低抵抗率計(株式会社三菱化学アナリテック製 ロレスタGP)を用いて、熱電変換層の表面抵抗率(Ω/□)を測定し、触針型膜厚計により膜厚(cm)を測定し、下記式(1)より導電率σ(S/cm)を算出した。
   (導電率σ)=1/((表面抵抗率)×(膜厚))   式(1)
[Measurement of conductivity]
Measure the surface resistivity (Ω / □) of the thermoelectric conversion layer using a low resistivity meter (Loresta GP manufactured by Mitsubishi Chemical Analytech Co., Ltd.), and measure the film thickness (cm) using a stylus type film thickness meter. The electrical conductivity σ (S / cm) was calculated from the following formula (1).
(Conductivity σ) = 1 / ((surface resistivity) × (film thickness)) Formula (1)

〔熱起電力(ゼーベック係数)の測定〕
 熱電特性測定装置(オザワ科学株式会社製 MODEL RZ2001i)を用い、高温側に第1の領域側、すなわち、第1の電極側を設置して、温度100℃の大気雰囲気で測定を行い、熱起電力S、ゼーベック係数(μV/K)を測定した。
[Measurement of thermoelectromotive force (Seebeck coefficient)]
Using a thermoelectric property measuring apparatus (MODEL RZ2001i manufactured by Ozawa Scientific Co., Ltd.), the first region side, that is, the first electrode side is installed on the high temperature side, and measurement is performed in an air atmosphere at a temperature of 100 ° C. The power S and Seebeck coefficient (μV / K) were measured.

〔パワーファクターの算出〕
 測定した導電率σおよび熱起電力Sから、パワーファクターPF(μW/mK2)を下記式(2)より算出した。
   パワーファクターPF=S2・σ   式(2)
 算出したパワーファクターPFを表1に示す。
[Calculation of power factor]
From the measured electrical conductivity σ and thermoelectromotive force S, the power factor PF (μW / mK 2 ) was calculated from the following formula (2).
Power factor PF = S 2 · σ Equation (2)
Table 1 shows the calculated power factor PF.

Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002

 第1表に示す結果から、熱電変換層の第1の電極側の第1の領域におけるドープ率、すなわち、ドーパントの密度を、第2の電極側の第2の領域におけるドープ率、すなわち、ドーパントの密度よりも大きくした本発明の熱電変換素子である実施例1~8は、熱電変換層全体に均一にドーパントを含有する比較例1~4に対して、パワーファクターPFが高くなり、熱電特性が向上し、熱電変換の効率が向上することが分かる。
 実施例1~4の対比から、ドーパントとして、酸化合物を用いた場合に、熱電特性が良好となり、さらに、オニウム塩化合物に熱又は活性エネルギー線を照射することにより発生する酸化合物を用いた場合に、熱電特性がより良好となることが分かる。
 また、実施例1、5~8の対比から、ドープ率が3~10mol%である場合に、熱電特性がより良好となることが分かる。
 以上の結果から本発明の効果は明らかである。
From the results shown in Table 1, the doping rate in the first region on the first electrode side of the thermoelectric conversion layer, that is, the dopant density, the doping rate in the second region on the second electrode side, that is, the dopant Examples 1 to 8, which are the thermoelectric conversion elements of the present invention having a density higher than the density, have a higher power factor PF than the comparative examples 1 to 4 in which the entire thermoelectric conversion layer contains the dopant uniformly, and have thermoelectric characteristics. It can be seen that the efficiency of thermoelectric conversion is improved.
From the comparison of Examples 1 to 4, when an acid compound is used as a dopant, the thermoelectric characteristics are improved, and furthermore, when an acid compound generated by irradiating the onium salt compound with heat or active energy rays is used. In addition, it can be seen that the thermoelectric characteristics become better.
Further, it can be seen from the comparison between Examples 1 and 5 to 8 that the thermoelectric characteristics are better when the doping rate is 3 to 10 mol%.
The effects of the present invention are clear from the above results.

 10、20、30、40 熱電変換素子
 12、22、31、42 基材
 14、24、32、44 第1の電極
 16、26、33、46 第2の電極
 18、28、34、48 熱電変換層
 18a、28a、34a、48a 第1の領域
 18b、28b、34b、48b 第2の領域
 49a~49e 領域
 50 熱源
 300 モジュール
10, 20, 30, 40 Thermoelectric conversion element 12, 22, 31, 42 Base material 14, 24, 32, 44 First electrode 16, 26, 33, 46 Second electrode 18, 28, 34, 48 Thermoelectric conversion Layer 18a, 28a, 34a, 48a First region 18b, 28b, 34b, 48b Second region 49a-49e Region 50 Heat source 300 Module

Claims (8)

 熱電変換材料およびドーパントを含有する熱電変換層と、前記熱電変換層上に設けられる一対の電極とを有し、
 一方の電極側となる前記熱電変換層の半分の領域である第1の領域における前記ドーパントのドープ率の平均が、他方の電極側となる前記熱電変換層の半分の領域である第2の領域における前記ドーパントのドープ率の平均よりも大きいことを特徴とする熱電変換素子。
A thermoelectric conversion layer containing a thermoelectric conversion material and a dopant, and a pair of electrodes provided on the thermoelectric conversion layer,
The second region in which the average doping ratio of the dopant in the first region which is a half region of the thermoelectric conversion layer on one electrode side is a half region of the thermoelectric conversion layer on the other electrode side The thermoelectric conversion element characterized by being larger than the average of the doping rate of the said dopant in.
 前記第1の領域におけるドープ率が3~10mol%である請求項1に記載の熱電変換素子。 The thermoelectric conversion element according to claim 1, wherein the doping ratio in the first region is 3 to 10 mol%.  前記熱電変換層の前記熱電変換材料が、有機材料である請求項1または2に記載の熱電変換素子。 The thermoelectric conversion element according to claim 1 or 2, wherein the thermoelectric conversion material of the thermoelectric conversion layer is an organic material.  前記ドーパントは、酸化合物である請求項1~3のいずれか1項に記載の熱電変換素子。 The thermoelectric conversion element according to any one of claims 1 to 3, wherein the dopant is an acid compound.  前記酸化合物が、オニウム塩化合物に熱または活性エネルギー線を照射して発生するものである請求項4に記載の熱電変換素子。 The thermoelectric conversion element according to claim 4, wherein the acid compound is generated by irradiating the onium salt compound with heat or active energy rays.  前記熱電変換層の前記ドープ率は、前記他方の電極側から前記一方の電極側に向かうに従って、漸次、増加する請求項1~5のいずれか1項に記載の熱電変換素子。 The thermoelectric conversion element according to any one of claims 1 to 5, wherein the doping rate of the thermoelectric conversion layer gradually increases from the other electrode side toward the one electrode side.  前記一方の電極に接する領域における前記ドープ率が、前記他方の電極に接する領域における前記ドープ率よりも大きい請求項1~6のいずれか1項に記載の熱電変換素子。 The thermoelectric conversion element according to any one of claims 1 to 6, wherein the doping rate in a region in contact with the one electrode is larger than the doping rate in a region in contact with the other electrode.  前記熱電変換層の前記第1の領域側に熱源との接触部を有する請求項1~7のいずれか1項に記載の熱電変換素子。 The thermoelectric conversion element according to any one of claims 1 to 7, further comprising a contact portion with a heat source on the first region side of the thermoelectric conversion layer.
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