2021.10.22
酸化物に圧力を加えて、熱電変換における電気伝導率と熱起電力のトレードオフ問題を解決
熱電変換出力を2桁増大
東京工業大学 科学技術創成研究院 フロンティア材料研究所の片瀬貴義准教授、神谷利夫教授、元素戦略研究センターの細野秀雄栄誉教授らの研究グループは、熱から電気を取り出す熱電変換材料の性能を高める妨げになっている、電気伝導率と熱起電力のトレードオフ状態を解消させる技術を開発し、熱電変換出力因子を2桁増大させることに成功した。
廃熱として捨てられることの多い熱エネルギーの有効活用に向け、効率の良い熱電変換を行うには、電気を通しやすい性質を持ち、温度差を与えた時により大きな電圧を発生させる性質を兼ね備えた熱電材料が必要になる。しかし前者の「電気伝導性の高さ」と後者の「電圧＝熱起電力の大きさ」にはトレードオフの相関があり、熱電材料の性能を向上させる限界となっていた。
本研究では、モット絶縁体の酸化物であるLaTiO3に人工的に圧力を加え、絶縁体から金属に変化させると、この2つが両立することを発見した。同物質に圧力を加えると、電荷の移動を担うキャリアの濃度であるキャリア濃度が減少して熱起電力が大きくなると同時に、キャリア濃度が減る以上にキャリア移動度が大幅に高まることで電気伝導性も増大するため、トレードオフの関係を破ることが明らかになった。
この発見は化学的に安定な酸化物の熱電性能を大きく向上させる新しい指針に繋がり、今後、熱電変換が汎用的なエネルギー源として普及することが期待される。
研究成果は「Advanced Science」誌に10月21日付（現地時間）で掲載された。
