用語説明

※１

熱電変換材料では、固体のゼーベック効果を利用して、温度差から直接電力を生み出します。熱電変換材料においては、材料中に効果的に温度差を設けるために、材料自身の熱伝導率は低いほど良く、一方で、発生した電気を効率よく取り出すために、材料自身の電気伝導率は高いほど良いとされています。従って、熱電変換材料の高効率化のためには、熱は通さないが電気はよく通すという一見矛盾した状況を材料中に創り出す必要があります。なお、熱電変換材料の性能は、以下の式で表される熱電変換性能指数zTという指標で決定されます。 （数式） ここで、Sはゼーベック係数（単位温度差あたりに生じる電力）、σは電気伝導率、κは熱伝導率、Tは絶対温度です。zT向上のためには、高いSはもちろんのこと、高いσと低いκを同時に達成することが求められます。

※２

既存熱電変換材料の代表格は、Bi ₂ Te ₃ とPbTeです。これらは、高い熱電変換性能指数（zT = 0.8～1程度）を示しますが、構成元素であるテルル（Te）の毒性と希少性、鉛（Pb）の毒性、ビスマス（Bi）の資源偏在性が問題となっています（右表）。熱電発電技術の広範な産業化のためには、無毒で資源量が豊富な元素から構成される高効率熱電変換材料の開発が望まれています。

※３

シリコン（Si）は代表的な環境調和型元素であり、毒性が低い、資源量が豊富である、流通量が多い、低価格で高品質な材料が入手可能であるといった多くの利点を有します。ところが、シリコンの熱伝導率は室温で150 Wm ^-1 K ^-1 程度あり、これは、既存熱電変換材料であるBi ₂ Te ₃ の熱伝導率の約100倍に相当します。この高い熱伝導率ゆえに、これまで、シリコンのzTは最大でも0.2程度に抑えられていました。

※４

1993年、マサチューセッツ工科大学のDresselhaus教授らは、材料をナノスケールで精密に制御することで、電気伝導率に影響を及ぼすことなく熱伝導率のみが低減できることを理論的に見出しました [1]。その後、既存熱電変換材料であるBi ₂ Te ₃ やPbTeといった材料においてこの理論が実験的に実証され、非常に高い熱電変換性能指数zTが達成されました [2]。本研究において、はじめて、シリコンでこの理論が実証されました。 [1] L. D. Hicks & M. S. Dresselhaus, Phys. Rev. B 47, 12727 (1993).; Phys. Rev. B 47, 16631 (1993). [2] R. Venkatasubramanian et al., Nature 413, 597 (2001).; K. Biswas et al., Nature 489, 414 (2012).など

※５

本研究における最大の発見は、極めて簡便で再現性の高い手法で、バルク状（つまりある程度の大きさを持った塊状）のシリコン内部に、均一にナノスケールの析出物を創出する手法を見出した点にあります。この析出物が、材料中で電気を伝える電子は散乱せずに熱を伝えるフォノンのみを散乱することで、熱電変換性能指数zTの大幅な向上を達成しました。

※６

惑星探査機においては、Pu-238（プルトニウム238）のα崩壊（半減期87.7年）で生じる崩壊熱を熱電発電技術によって直接電気エネルギーに変換して利用しています。現状、熱電変換効率は低いものの、数十年間安定して電力を供給できるため、惑星探査機や僻地における電源として活用されています。

※７

平均すると、全一次エネルギーの約三分の二が熱として捨てられています。特に自動車においては、総投入エネルギーの約七割が未利用熱エネルギーとなっています。このため、自動車からの排熱を回収し電気エネルギーとして再利用できる熱電発電が、近年注目を集めています。