高い熱電性能指数を持つ 3D プリント SnSe 熱電発電機

出典: OIL 研究所

セレン化スズ（SnSe）の熱電性能指数（ZT）が2.6±0.3と報告されて以来、この材料は熱電分野で広く注目を集めています。文献には、溶媒熱法、溶融法、放電プラズマ焼結、冷間プレス、熱蒸発法など、セレン化スズを合成するための多数の方法が報告されています。これらの技術のほとんどは、高温、高圧、長い準備時間を必要とします。印刷技術は常温・常圧で実現でき、迅速に準備できます。現在、研究者は印刷技術によってテルル化ビスマス薄膜を作製しているが、薄膜は従来の構造のバルク熱電発電機の製造には適していない。一般的に言えば、バルク熱電発電機の単一部品のサイズが約1mm×1mm×2mmの場合、より良い性能を達成できる。テルル化ビスマスに反応する中高温印刷熱電材料に関する研究はこれまで行われていませんでした。現時点では、テルル化ビスマス以外の材料の印刷に関する報告はありません。これまでのところ、SnSe に関する報告は、単結晶インゴット、多結晶材料、および薄膜に焦点が当てられています。

図: 印刷されたSnSeの熱電特性。 (a) 電気伝導率、(b) ゼーベック係数、(c) 力率、(d) 熱伝導率、(e) 4% バインダーを使用した a 軸方向の印刷 SnSe および単結晶の電子熱伝導率と格子熱伝導率、(f) 熱電性能指数。最近、研究者らは、3D プリントのような技術を使用して SnSe バルク熱電素子を製造し、これらの SnSe バルク熱電素子を使用して標準的な熱電発電機を製造したと報告しました。等モル量のSnおよびSe粉末を250mLのステンレス鋼製乳鉢に加え、直径10mmのステンレス鋼製ボールベアリングを加え、これを遊星ミルに固定し、砂を入れた粉砕ボウルでバランスを取った。回転パラメータは、200 rpm で 30 分間回転し、その後 30 分間休止するというサイクルを 60 サイクルに設定されました。バインダー溶液は、カルボキシメチルセルロースナトリウム（平均分子量 250,000）と脱イオン水を重量比（1%、2%、3%、4%、5%）で混合して調製しました。バインダー溶液（13 g）をボールミル粉砕粉末（37 g）と遠心ミキサー（1500 rpm、60秒）で混合し、混合物を撹拌した。遠心混合と撹拌のプロセスは、均質なペーストが生成されるまで繰り返されます。スラリーを2枚の16層の厚さのカプトンテープの間に挟んでガラスに塗布し、薄膜を作製し、ホットプレート（120℃、10分）で乾燥させた後、剥がして22mm×10mmサイズのサンプルを作製した。

サンプルは、0.5 K/分の速度で室温から873 Kまで加熱してさらに固化し、その後室温まで自然冷却しました。 3Dプリント技術は、既存の熱電ブロック製造技術と比較して、低コストで操作が簡単で、大量生産が可能で、迅速に生産できます。バルク SnSe 熱電素子を作製し、広い温度範囲にわたって特性を評価しました。 4% 有機バインダーを含むインクで印刷されたコンポーネントは、758 K での ZT 値が 1.7 (±0.25) と最も高いパフォーマンスを示します。これは、これまでに報告された熱電材料の中で最も高い熱電性能指数であり、この温度で大量印刷された最初の材料です。印刷された Z 型シリーズの熱発生器は、772K で最大 20 μW の電力を出力できますが、これは熱電性能指数 1.7 で表される出力電力と一致しません。その理由は、SnSe と銅の導電チャネル間の接触不良、以前の硬化温度に到達できないことなどです。

関連論文:
Matthew R. Burton、Shahin Mehraban、David Beynon、James McGettrick、Trystan Watson、Nicholas P. Lavery、Matthew J. Carnie、「高い性能指数を備えた 3D プリント SnSe 熱電発電機」、Advanced Energy Materials、2019、9、1900201。

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