[发明专利]硅体热电转换材料

说明书

提供一种硅体热电转换材料，该材料通过降低硅的热传导率来使热电性能与现有技术相比得到提高。在该硅体热电转换材料为硅单体中，在室温下仅含硅时ZT超过0.2。该硅体热电转换材料具有：多个硅粒，其尺寸在1‑300nm；第一孔，其存在于多个所述硅粒中及所述硅粒表面，且平均尺寸1‑30nm以下；以及第二孔，其存在于多个所述硅粒之间，且平均尺寸为100‑300nm，所述硅粒的长径比小于10。

技术领域

本发明涉及硅体热电转换材料。

背景技术

近年来，已经进行了许多旨在提高热电转换材料性能的研究。所谓热电转换，是指可将热与电直接相互转换的设备，因为能够从之前难以利用的废热等低温热源进行发电，所以作为能量收集设备(例如以IoT的感测设备等)的电源而备受瞩目。热电转换材料的性能由无量纲性能指数ZT来表示。

[式1]

在此，S为塞贝克系数，σ为电导率，T为绝对温度，κ为热传导率。根据该式可以明确：热电转换材料的性能能够通过(1)提高塞贝克系数S或电导率σ(2)降低热传导率κ中的任何一者来提高。

近年来，许多研究小组报告了ZT大幅超过1的研究成果。另一方面，在考虑将其用作能量收集设备的情况下，ZT的大幅提高并非必需的，只要能够将制造成本抑制得较低，未必需要较高的ZT。但是，之前报告的研究中的大多数都使用了毒性较高、环境相容性较低或高价的材料。因此，无法解决前述的成本效益问题，未达到热电转换设备的普及及实用化。在此，从制造成本的观点来看，硅为高储量、无毒性、且具有高稳定性的材料，并且因为可应用当前普及的硅加工技术，所以是一种作为热电转换材料较为有力的材料。然而，现状在于，硅的热传导率为100W/m/K以上，即使单纯将其用作热电转换材料，ZT值也为0.005左右，完全不适于实用化。因此，专利文献1通过使用具有“10以上的长径比”的纳米线来谋求热传导率的降低(权利要求1、第[0009]段等)。此外，专利文献2以“一种热电材料，其特征在于，由多孔体构成，该多孔体以镁硅合金、镁硅锡合金、硅、或硅锗合金中的任意一者为主成分，并具有许多微细孔”为解决手段，但这意味着：仅以硅单体或被微少掺杂的硅无法得到实用的ZT值，因此，基于合金材料(锗等)来寻找热电材料。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2016-504756号公报

专利文献2：日本特开2015-053466号公报

非专利文献

非专利文献1：AllonI.Hochbaum等，2008年1月10日，EnhancedthermoelectricperformanceofroughsiliconnanowiresNature451,163-167。

发明内容

本发明要解决的问题

专利文献1通过纳米线化来降低热传导率，但在线的长度方向与其正交方向上，特性会有较大不同，无法以体形态、以与纳米线同等的良好水平来获得各向同性特性。此外，专利文献2通过使用合金来降低热传导率，据此也可以知晓：仅以硅单体达不成实用的热电转换材料的制备。因此，本发明的目的之一在于提供一种与以往相比通过减少热传导率来使热电性能提高的硅体热电转换材料。

解决问题的手段

在本发明的一个实施方式中，通过调整硅体中的硅粒的结构来提供一种硅体热电转换材料，其为硅单体(另外，如在本说明书中定义的那样，所谓“单体”，是指可允许微量杂质残留)且在室温下ZT超过0.2。