フレッシュな効果で電気をキャッチ

サイエンスチャイナプレス

画像: (a) 加圧高温焼結による Mg3Sb2 ベースのモジュールの組み立てを示す概略図。 Al-Si-Cuろう材が使用されています。 (b) Ag 複合ペーストを使用した低温低圧接合による Mg3Sb2 ベースのモジュールの組み立て。 (c) 523 K から 773 K までの 10 回の熱サイクル中の Ag 複合ペーストの質量変化と熱流量。(d) Ag 複合ペーストによるはんだ付け前後の抵抗変化の比較。もっと見る

クレジット: ©Science China Press

化石燃料の利用効率を向上させ、環境汚染を軽減するための最も有望なソリューションの 1 つである熱電 (TE) 発電技術には、ソリッドステート動作、可動部品なしで動作する、無料のメンテナンス、延長サービスなどの利点があります。 過去数十年にわたり、TE 材料の性能を向上させるために多大な努力が払われてきました。 また、IV-VI 族化合物 (SnSe、GeTe、PbSe など)、スクッテルダイト、Cu2Se などの優れた合金も出現します。 TE 材料の性能向上におけるこれらの前例のない進歩は、TE デバイスの広範な用途を可能にする重要なステップです。 しかし、TE デバイス技術の進歩はそれほど急速ではありません。 現在の取り組みは、電極の設計、バリア層のスクリーニング、界面の最適化など、主にシングルレッグまたはユニカップルの問題に焦点を当てています。 シングルレッグは特定の TE 材料の可能性を評価するのに非常に役立ちますが、実用化にはまだ程遠いです。 産業用途に向けて、n 型と p 型の両方の TE 材料で構成されるモジュールを開発する必要があります。 それにもかかわらず、モジュールの開発は単一の脚の製造よりも困難です。 適合するn型とp型のTE材料の開発、TEレッグの形状の最適化、複数のレッグの溶接と組み立て、モジュールの効率と信頼性の評価など、さらに多くの課題に精緻に取り組む必要がある。 さらに、現在使用または研究されているほとんどの TE コンポーネントには希少元素 (Te など) または有毒元素 (Pb など) が含まれており、大規模用途には潜在的な障害となります。

近年、Mg3Sb2 ベースの化合物は、その非毒性、豊富な構成元素、および優れた機械的堅牢性により、TE コミュニティから大きな関心を集めています。 p 型 Mg3Sb2 から n 型 Mg3Sb2 への変化に触発されて、この種の化合物の研究が盛んになりました。 過去 5 年間で大幅な進歩が見られ、TE のパフォーマンスが向上しました。 この喜ばしい結果により、低コストで環境に優しい Mg3Sb2 ベースの化合物は、中温 TE 発電用の最先端の Te または Pb 含有合金の代替品として有望視されています。 そして最近、デバイス開発に対する集中的な研究の関心が高まっています。 シングルレッグレベルでは、n 型 Mg3Sb2 のスケーラブルな合成、信頼性の高い接合界面の設計、およびバリア層のスクリーニングに関して努力が払われてきました。 注目すべき結果は、700 K の熱源温度で 400 K の温度差で ~10% のシングルレッグ効率を達成できたことで、中温発電用途に優れた可能性があることを示しています。 ユニカップルまたはモジュールレベルでは、Bi2Te3、MgAgSb、GeTe、CdSb、CoSb3 などのさまざまな p 型 TE 化合物が n-Mg3Sb2 とのペアリングに使用されています。 異なる材料を組み合わせたモジュールにより、低・中温度域で優れた発電性能を発揮します。

ただし、これらのモジュールはすべて、異なる親 n 型および p 型 TE 化合物を使用して製造されていることは注目に値します。 これらの n 型合金と p 型合金の TE および化学的特性が異なるため、煩雑なデバイス形状の設計と適切なバリア層の個別の選択が必要になります。 さらに重要なことは、発電用の TE モジュールは通常、大きな温度勾配 (中温発電用途の場合は 300 ～ 500 K) と変動する温度で動作するため、n 型と p 型の TE 材料の物理パラメータの違い、熱膨張係数が大きいため、高い熱応力が発生し、使用中にデバイスの故障が容易に発生する可能性があります。 さらに、異なる n 型および p 型 TE 材料の融点と機械加工性の違いにより、溶接および組み立てプロセスに追加の制約が課せられます。 したがって、同じ親 TE 化合物を使用して効率的で堅牢な TE モジュールを開発し、材料特性の優れた適合によりモジュールの製造が容易になり、長期安定した動作が保証されるようにすることが強く望まれています。 また、それは実際のアプリケーションでも十分に実証されています。たとえば、NASA が深宇宙探査で使用する市販の Bi2Te3 モジュール、PbTe モジュール、SiGe モジュールなどは、すべて同じ n 型および p 型の TE 材料から作られています。 。

この課題に応えて、最近、東華大学 (DHU) の Wan Jiang 教授と Lianjun Wang 教授、ドレスデン ライプニッツ固体材料研究所 (IFW ドレスデン) の Qihao Zhang 博士が率いる TE 研究チームは、以下の要素からなる新しい TE モジュールを開発しました。 n 型と p 型の両方の Mg3Sb2 ベースの合金。 同じ親の p 型および n 型 Mg3Sb2 ベースのペレットは、メカニカルアロイングと放電プラズマ焼結を使用して製造されます。 これら 2 つの化合物は、結晶構造と化学組成が類似しているため、よく一致した TE 特性と機械的特性を示します。 有限要素シミュレーションにより、最大変換効率を達成するための最適な脚断面積比は約 1.0 であり、これはモジュールの組み立てに有利であることが確認されています。 熱機械結合の計算により、p 型と n 型の TE 素子間の熱膨張の差によって生じる熱応力が最小限に抑えられることがわかります。 鉄は、n 型レッグと p 型レッグの両方の拡散バリア層として使用されます。 また、TE ジョイントの製造にはワンステップ焼結プロセスが採用されており、低い界面接触抵抗率で強力な接合が可能になります。 さらに、全 Mg3Sb2 ベースの TE モジュールは、低温組み立てを可能にし、より高い使用温度に耐えることができる Ag 複合ペーストを使用した新しい接合プロセスを開発することによって製造されます。 これらすべての努力の結果、673 K の熱源温度で電気エネルギーを捕捉する 7.5% の高効率と、熱サイクルに対する優れたモジュール信頼性を備えた完全 Mg3Sb2 ベースのモジュールが実現しました。 これらの結果は、低品位だが非常に豊富な廃熱から効率的に発電するためのすべての Mg3Sb2 ベースのモジュール開発の大きな可能性をうまく示しています。

###

記事を参照してください:

Mg3Sb2 ベースの化合物を使用した高効率で信頼性の高い同一親熱電モジュール

https://doi.org/10.1093/nsr/nwad095

ナショナル・サイエンス・レビュー

10.1093/nsr/nwad095

免責事項: AAAS と EurekAlert! EurekAlert! に投稿されたニュース リリースの正確性については責任を負いません。 貢献機関による、または EurekAlert システムを介した情報の使用。