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無機半導体でも発電

 (2b)、すなわち無機の半導体でも温度差なしの熱で発電した例も出てきた。九州大学 工学研究院 材料工学部門 教授の宗藤伸治氏の研究室が2017年に発表した、Siとバリウム(Ba)で構成する「クラスレート」と呼ばれるかご状の構造を持つ結晶である(図65)。一部のSiを置換する金(Au)の含有量が、結晶引き上げ引の際に次第に変わることで結晶の組成が連続的に変化し、バンドギャップも連続的に変化する。すると部分的にバンドギャップが狭くなる領域ができる。すると熱励起された電子がその領域で“捕獲”され、電極に取り出せるようになるのだという。

図6 組成/バンドギャップを連続的に変化させて電荷を取り出す
図6 組成/バンドギャップを連続的に変化させて電荷を取り出す
九州大学 宗藤研究室が開発した、結晶の引き上げ時に組成とバンドギャップが連続的に変わる材料(Ba8AuxSi46-x)で熱励起の電子を取り出せる技術の概要。バンドギャップが部分的に狭くなった領域で熱励起の電子を捕まえ、ホールと分離できるとする。ただし、起電力は500℃で2mV弱と低い。電流は数百mA、電力としては1mW前後取り出せる。最近は、金(Au)の代わりに銅(Cu)を用いたn型だけの半導体材料でも同様なことができることを確認したとする。その際の起電力は約0.1mV、電流は約100mAであるという。(図:九州大学 宗藤研究室の資料を基に日経クロステックが作成)
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 ただし、無機半導体のpn接合の特性として、電子とホールの電極からの取り出し時には、電位差がほとんどなくなってしまう。「起電力は500℃で2mV弱だが、電流は数百mAと多い。電圧が必要なら、多数の素子を直列にすればよい」(宗藤氏)とする。この点は起電力が高い東京工業大学のSTCと対照的だ。

 材料に高価なAuを使うことは大きな課題だったが、最近はAuの代わりに銅(Cu)でも同様な効果があることが分かってきたという。その場合、材料コストは格段に安くなる。ただし、現状では「Cuを用いた場合の起電力は0.1mV、電流は約100mA」(同氏)で、性能向上が課題だ。

超ミニスケールの潮力発電

 最後の(3)が、グラフェンを利用した温度差なし発電である。熱でグラフェンが波打つ特性を利用する。原理的には潮力発電に近い。米University of Arkansas ProfessorのPaul Thibado氏の研究室が開発した(図76)。これも室温で発電可能だという。「腕時計の電池代わりなどに使えるのでは」(Thibado氏)というが、現時点では出力が数十pAと小さい。

(a)グラフェン利用の熱発電素子
(a)グラフェン利用の熱発電素子
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(b)グラフェンの振動を電力に変換
(b)グラフェンの振動を電力に変換
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(c)開発したThibado氏
(c)開発したThibado氏
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図7 グラフェンを介して熱を電力に変換
University of Arkansasの研究者が開発した、グラフェンが熱によって波打つ特性を利用した温度差不要の発電素子の試作チップ(a)。グラフェンがキャパシターの電極間で振動することで、容量が変化し、電荷が移動して発電するという(b)。(a)にはより複雑な、ダイオードなどを用いて直流を取り出す回路を実装した。ただし、現状では出力電流は数十pAと小さい。開発した研究者のPaul Thibado氏は「ブラウン運動から連続的に電力を取り出せるが、熱力学第2法則には反しない」と述べている(c)。手にしているのは(a)の試作チップ。(写真:Russell Cothren, University of Arkansas、図はUniversity of ArkansasのYouTubeの動画を日経クロステックがキャプチャーしたもの)
参考文献
1)Sagawa,T. et al.,"Second Law of Thermodynamics with Discrete Quantum Feedback Control,"Phys. Rev. Lett. vol.100,p.080403,Feb. 26 2008.
2)Belkadi,A. et al.,"Demonstration of resonant tunneling effects in metal-double-insulator-metal(MI2M)diodes,"Nature Comm.,https://doi.org/10.1038/s41467-021-23182-0,May 18 2021.
3)野澤、「IoTの電池不要化技術が実現 温度差不要の熱発電も可能に」、『日経エレクトロニクス』2019年10月号、pp.61─66
4)Kohata,H. et al.,"Power Generation at Room Temperature -How to Design of the Sensitized Thermal Cell-,preprint,DOI:https://doi.org/10.21203/rs.3.rs- 384614/v7
5)Munetoh,S. et al.,"A novel electric power generation under uniform temperature environment using poly-crystalline Ba8AuxSi46-x clathrate,"Journal of the Japan Society of Powder and Powder Metallurgy,vol.64, issue 8, pp.471-474 4,Aug. 2017.
6)Thibado,P.M. et al.,"Fluctuation-induced current from freestanding graphene,"Physical Review E,vol.102,p.042101,Oct. 2,2020.