熱電発電機：原理、材料および応用

熱電発電機（TEG）は、ゼーベック効果を使用して熱エネルギーを電気エネルギーに変換する装置です。ゼーベック効果とは、異なる導体または導体回路の間に温度差がある場合に、電位差が生じる現象です。TEGは動く部品がなく、長期間静かかつ信頼性高く動作する固体デバイスです。TEGは、工業プロセス、自動車、発電所、さらには人間の体温など、さまざまな熱源からの廃熱を収集し、有用な電力に変換することができます。また、センサー、無線送信機、宇宙船などの遠隔デバイスの電源としても使用でき、放射性同位体や太陽熱を熱源として利用できます。

熱電発電機の仕組み

熱電発電機は、主に2つの構成要素から成ります：熱電材料と熱電モジュール。

熱電材料とは、温度勾配が存在するときに電圧を生成する材料であり、ゼーベック効果を示します。熱電材料はn型とp型の2種類に分類されます。n型材料は電子過剰で、p型材料は電子不足です。金属電極によってn型材料とp型材料が直列に接続されると、熱電対が形成され、これが熱電発電機の基本単位となります。

熱電モジュールは、多くの熱電対を電気的に直列に、熱的に並列に接続した装置です。熱電モジュールにはホットサイドとコールドサイドがあります。ホットサイドに熱源を、コールドサイドに冷却源を露出させると、モジュール全体に温度差が生じ、電流が回路を流れます。この電流は外部負荷の電源やバッテリー充電に使用できます。熱電モジュールの出力電圧と出力電力は、熱電対の数、温度差、ゼーベック係数、および材料の電気抵抗と熱抵抗に依存します。

熱電発電機の効率は、熱源からの熱入力に対する電力出力の比で定義されます。熱電発電機の効率は、カノン効率によって制限されます。カノン効率は、2つの温度間で動作する任意の熱エンジンの最大可能効率です。カノン効率は以下の式で与えられます：

ηCarnot=1−ThTc

ここで、Tcはコールドサイドの温度、Thはホットサイドの温度です。

実際の熱電発電機の効率は、ジョウル加熱、熱伝導、熱放射などの損失により、カノン効率よりも大幅に低くなります。熱電発電機の実際の効率は、熱電材料の優れた特性（ZT）に依存します。これは、熱電応用における材料の性能を測る次元のないパラメータです。優れた特性は以下の式で与えられます：

ZT=κα2σT

ここで、αはゼーベック係数、σは電気伝導率、κは熱伝導率、Tは絶対温度です。

優れた特性が高いほど、熱電発電機の効率も高くなります。優れた特性は、電子とフォノンの輸送などの固有の特性と、ドーピングレベルや形状などの外的な特性に依存します。熱電材料の研究の目標は、高いゼーベック係数、高い電気伝導率、低い熱伝導率を持つ材料を見つけるか設計することです。これらの要件はしばしば矛盾しています。

一般的な熱電材料は何ですか？

熱電材料は、金属、半導体、複合化合物の3つのカテゴリに分類できます。

金属は電気伝導率が高いですが、ゼーベック係数が低く、熱伝導率が高いため、優れた特性が低いです。金属は主に熱電モジュールの電極や接続部材として使用されます。

半導体は中程度の電気伝導率とゼーベック係数を持ちますが、熱伝導率が高いため、中程度の優れた特性を持っています。半導体はドーピングすることで、n型またはp型の材料を作り出すことができます。半導体は低温アプリケーション（200°C以下）に広く使用されています。

複合化合物は電気伝導率が低いですが、高いゼーベック係数と低い熱伝導率を持ち、優れた特性が高いです。複合化合物は通常、異なる価数と結晶構造を持つ複数の元素で構成されており、複雑な電子バンド構造とフォノン散乱機構を生み出し、熱電性能を向上させます。複合化合物は高温アプリケーション（200°C以上）に広く使用されています。

一般的な熱電材料の例としては、以下のものがあります：

• ビスマステルリウム（Bi2Te3）とその合金：これらは低温アプリケーション（200°C以下）で最も広く使用されている熱電材料であり、冷却装置や廃熱からの発電に使用されます。Bi2Te3は、Bi2とTe3原子の交互に配置された五重層構造を持ち、弱いファン・デル・ワールス力によって結合されています。この構造により、層境界でのフォノン散乱により熱伝導率が低くなります。Bi2Te3は、アンチモン（Sb）、セレン（Se）、または硫黄（S）などの他の元素との合金化により、電気特性を調整し、優れた特性を最適化することができます。

• 鉛テルリウム（PbTe）とその合金：これらは中温アプリケーション（200-600°C）で最も広く使用されている熱電材料であり、自動車排気ガスや工業廃熱からの発電に使用されます。PbTeは、Pb2+とTe2-イオンが強いイオン力によって結合された岩塩構造を持ちます。この構造により、重いPb原子がフェルミ準位近くで大きなバンド縮退を生み出し、高いゼーベック係数が得られます。PbTeは、スズ（Sn）、タリウム（Tl）、またはナトリウム（Na）などの他の元素との合金化により、優れた特性を向上させることができます。

• スキュータライト：これらの複合化合物はMX3の一般式を持ち、Mは遷移金属（例えばコバルト、Co）、Xはピニクトゲン（例えばアンチモン、Sb）です。

           
   

• スキュータライトは、M4X12単位の三次元ネットワークと、希土類元素（RE）などのゲスト原子を収容できる大きな空洞を持つ立方体構造を持ちます。ゲスト原子はフォノン散乱体として働き、熱伝導率を低下させます。一方、ホスト原子は高い電気伝導率とゼーベック係数を提供します。スキュータライトは、廃熱回収や集中太陽熱からの発電などの中温から高温アプリケーション（300-800°C）に有望な熱電材料です。

• ハーフヒュスラー化合物：これらはXYZの一般式を持ち、Xは遷移金属（例えばチタン、Ti）、Yは別の遷移金属（例えばニッケル、Ni）、Zは主族元素（例えば錫、Sn）です。

           
   

• ハーフヒュスラー化合物は、X原子が占有する一つのfccサブレティスと、YとZ原子が1:2の比率で占有する他の三つのfccサブレティスが相互に貫通する立方体構造を持ちます。ハーフヒュスラー化合物は、複雑な電子バンド構造と重い構成原子により、高いゼーベック係数と電気伝導率、そして低い熱伝導率を持っています。ハーフヒュスラー化合物は、核反応炉や航空宇宙エンジンからの発電などの高温アプリケーション（800°C以上）に有望な熱電材料です。

熱電発電機の用途は何ですか？

熱電発電機は、温度範囲、出力電力、熱源の可用性に応じて、さまざまな分野で様々な用途があります。熱電発電機のいくつかの用途の例は以下の通りです：

• 冷却装置：熱電発電機は、マイクロプロセッサ、レーザー、センサーなどの電子部品を冷却するために使用できます。モジュールのホットサイドとコールドサイドの間に温度差を生むために電流を適用することで、このプロセスは熱電冷却またはペルチェ効果と呼ばれ、ゼーベック効果の逆です。熱電冷却装置は、コンパクトさ、信頼性、騒音の少なさ、精密な温度制御などの利点があります。

• 廃熱からの発電：熱電発電機は、工業プロセス、自動車、発電所、さらには人間の体温など、さまざまな熱源からの廃熱を収集し、有用な電力に変換することができます。これにより、エネルギー効率が向上し、これらの熱源からの温室効果ガス排出量が減少します。たとえば、熱電発電機は自動車の排気システムに統合して、燃焼時に失われる熱の一部を回収し、車載電子機器やバッテリー充電の電力を生成することができます。また、熱電発電機は人体の皮膚や衣服に取り付けて、体温から電力を生成し、ウェアラブルデバイスや医療インプラントの電源として使用することもできます。

• 放射性同位体からの発電：熱電発電機は、センサー、無線送信機、宇宙船などの遠隔デバイスの電源として、放射性同位体を熱源として使用することができます。

           
   

• 放射性同位体は不安定な同位体であり、放射線を放出して他の元素に崩壊します。放射線は鉛やタングステンなどの材料によって吸収され、熱に変換されます。この熱は熱電モジュールを使用して電気に変換されます。放射性同位体熱電発電機（RTG）は、バッテリーやソーラーパネルなどの他の電源と比較して、長寿命、高信頼性、環境条件への独立性などの利点があります。RTGは、ボイジャー1号と2号、キュリオシティローバー、パーシヴァランスローバーなどの多くの宇宙ミッションに使用されています。

熱電発電機の課題と今後の方向性は何ですか？

熱電発電機はエネルギー変換や収集アプリケーションに多くの潜在的な利点がありますが、実用化には克服すべき課題や制限もあります。これらの課題は以下の通りです：

• 効率が低い：熱電発電機の効率はカノン効率と熱電材料の優れた特性によって制限されます。現在の最先端の熱電材料は、室温では優れた特性が約1-2、高温では約2-3であり、最高でも効率は5-10%です。より高い効率を達成するには、バンド構造エンジニアリング