スクッテルダイト：熱電用途の高性能材料

熱電材料の重要性とその応用可能性

エネルギー効率の最適化は、²¹世紀の大きな課題のひとつである。多くの産業用途では、未利用の熱エネルギーが大量に発生している。このような廃熱は、加熱炉、焼却場、発電所、さらには自動車から発生し、そのすべてを電気エネルギーの生成に利用することができる。環境に良い影響を与えるだけでなく、産業プラントの全体的な効率と収益性の向上にも大きく貢献する。そこで登場するのが熱電発電である。

「熱電発電機」と呼ばれるものは、開発されたもので、使用可能な温度差があるあらゆる分野で採用することができる。このような応用には、高効率の熱電材料の開発が必要です。

熱物性および熱電特性の測定

熱電材料の開発と最適化には、熱物性と熱電特性の知識が不可欠です。効率の評価には、メリット値（ZT値）が用いられます。この熱電数値は、特殊な材料が熱電発電機での使用に適しているか、適していないかを示します。従って、ZT値から材料の効率に関する情報が得られます。

SBA 458（Nemesis^® ）では、ゼーベック係数（S）と電気伝導率（σ）を同時に測定することができます。LFAを使えば、比熱容量（_{比熱容量（cp）熱容量は材料固有の物理量であり、試験片に供給される熱量をその結果生じる温度上昇で割ることによって決定される。比熱容量は、試料の単位質量に関連している。cp}）と熱拡散率（a）を直接測定できる。密度ρとともに、熱伝導率λも計算できる。

SBA 458Nemesis 、レーザーフラッシュ装置LFA 427 、LFA 457およびLFA 467NETZSCH 、ZT値測定のための完全なソリューションを提供します。

スクッテルダイト、熱電材料として最適アプリケーション

現在、熱電材料の開発には莫大な費用がかかり、効率も低いため、その応用が阻まれることが多い。これを克服するためには、新たな開発や改良によって熱電変換効率を大幅に向上させる必要がある。

その目的は、低い熱伝導率λと同時に高い伝導率σと高いゼーベック係数Sを示す材料を開発することである。

特にスクッテルダイトは、優れた電気特性の可能性を秘めている。スクッテルダイトはコバルトとヒ素からなる物質で、しばしば希土類に汚染されている。硫化物の一種に属する。スクッテルダイトの名前は、1928年にこの天然鉱物の_CoAs3が初めて発見されたノルウェーのスクッテルダイト市に由来する。その優れた電気的特性が認められたのは50年代半ばのことである。スクッテルダイトは、電荷キャリアの移動度が非常に高く、ゼーベック係数（medium ）が大きいのが特徴である。一方、熱伝導率は非常に高く、その時点では熱電応用への効率的な利用は不可能であった。70年代には、スクッテルダイトの一般的な結晶構造が発見され、最適に改変できるようになった。外来原子を挿入することで、素セルの2つの空隙を埋めることができる。こうすることで、スクッテルダイトの熱伝導率を下げることができる。それ以来、スクッテルダイトは、例えば自動車の排気システムからの廃熱を直接電気に変換できる、より効率的な熱電変換器の潜在的な候補となっている。以下の測定例は、スクッテルダイトのZT値を1つの試料によってどのように決定できるかを示している。

LFA測定

スクッテルダイトの無次元ZT値を算出するため、直径12.7mmの試料について、LFA467HyperFlash を用いて熱拡散率（図1、赤色の曲線）と比熱容量（図1、黒色の曲線）を測定した。測定は室温から400℃の間で行った。

熱拡散率（赤い曲線）と比熱容量（黒い曲線）を温度（℃）に対して示したグラフ。 — 1）LFA法による熱拡散率（赤曲線）と比熱容量（黒曲線）の測定

熱伝導率の計算は、次の式によって得られた結果に基づいている：λ＝a-比熱容量（cp）熱容量は材料固有の物理量であり、試験片に供給される熱量をその結果生じる温度上昇で割ることによって決定される。比熱容量は、試料の単位質量に関連している。cp_-ρ（図2参照）。

温度（℃）に対する熱伝導率（λ）をMW/mKで表したグラフで、0～400℃まで安定した傾向を示している。 — 2) 熱伝導率の測定

SBA測定

SBA 458Nemesis を用いて、室温から350℃の間で、すでにLFA測定に使用した試料のゼーベック係数と電気伝導率を測定した。ゼーベック係数は100μV/Kからほぼ160μV/Kに増加し、電気伝導率は約1300S/cmから1000S/cmに減少した。測定結果は、両パラメーターとも優れた再現性（±2%）を示した（図3参照）。