報告書番号

Q10014

タイトル（和文）

高効率熱電変換材料の開発 第1報：Siクラスレートの熱電物性の理論計算

タイトル（英文）

Development of high performance thermoelectric material :Theoretical calculation of thermoelectric property in Si clathrate

概要 （図表や脚注は「報告書全文」に掲載しております）

熱電材料はプラントにおける廃熱回収への応用など近年注目を集めている材料である。熱電性能は無次元性能指数ZTで表され、ZT>1が実用化の目安とされている。しかしZTが1を超える材料は大抵希少元素や有害元素を含み、Siの様な環境調和性に優れた元素からなる熱電材料のZTは低い。Siベース熱電材料のZT向上のためには独立に制御できない熱電物性の最適値を見つけることが重要である。しかし実験的に膨大な労力を伴うことから、当所では理論計算による効率的な材料組成の探索を目指し研究を進めてきた。本報告では、様々な添加元素の固溶性のおよび添加元素を含むTypeISiクラスレートの熱電物性を第一原理計算を用いて調べた。その結果、Li, Na, K, Rb, Cs, Ca, Sr, Baはゲスト元素としてクラスレート中に固溶することが示され、13族元素とのコドープにより電子状態が半導体となること、特にGa置換によりエネルギー的に安定なクラスレートを形成することを示した。形成しうる組成を有するクラスレートバンド構造を求め、ボルツマン輸送方程式を解くことにより様々な組成を有するSiクラスレートの熱電物性値を系統的に算出した。ゼーベック係数と電気伝導率、電子熱伝導率を左右するキャリア濃度の最適値を求めることにより、p型ドープ熱電材料ではLi8Ga8Si38,K8Ga8Si38,Rb8Ga8Si38,Cs8Ga8Si38にて、n型ドープ熱電材料ではSr8Ga16Si38にて900KにおけるZTが0.6以上に達する可能性を示した。

概要 （英文）

Recently, thermoelectric materials have been much attention for the application to the power generation such as recovery of the wasted heat in the power plants. The thermoelectric performance of a given material is described by the dimensionless figure of merit ZT=a^2s/k, where a is the Seebeck coefficient, s is the electrical conductivity, and k is the thermal conductivity. ZT > 1 is thought to be needed for real application. Usually, ZT > 1 is achieved using rare-earth element or heavy toxic element and thermoelectric materials composed of ecological element such as Si, shows relatively low ZT value. In order to improve ZT of Si-based thermoelectric material, it is important to optimize the carrier density because it strongly determines thermoelectric properties. However, enormous experimental effort is needed to optimize material composition. Therefore, in this study, first-principles calculation was used to study the thermoelectric properties of the Si clathrates; Si46 with various dopant elements. It is found that Li, Na, K, Rb, Cs, Ca, Sr, Ba can be solute into Si46 as the guest element. When guest element is co-doped with group 13 elements such as Al or Ga, calculated band structures show that these clathrates are all semiconductor. Thermoelectric properties of Si clathrates with energetically stable combination of guest and substitutional elements were systematically calculated by solving Boltzmann transport equation using band structures obtained by first-principles calculations. Estimated ZT at 900K of each composition is found to be greatly improved by using the optimal carrier density. As a consequence, it was estimated that ZT values of ~0.6 may be possible for optimally p-doped (Li or Rb or Cs)8Ga8Si38, and n-doped Sr8Ga16Si30.

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