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将室温废热高效转化为电力！ 电子结构精密控制，热电性能提高一倍 -期待在环境发电技术中的应用，为未来的物联网社会做出贡献- <研究要点> 在室温附近 成功开发出最大2倍热电转换输出因子的材料 通过对电子结构的精确控制 为了提高在室温范围内表现出高性能的材料的性能，以前已知在高温范围内表现出高性能。 期待利用废热总量最多的室温废热的环境发电和对节能社会的贡献 新闻发布资料 2021年8月12日大阪府立大学 金基大学高亮度光科学研究中心 日本科学技术促进组织(JST) 大阪府立大学(校长:辰巳砂昌弘)研究生院理学系研究科的小菅厚子副教授(兼任JST先驱研究者)、奥友洋研究生、久保田佳基教授、近畿大学工业高等专科学校的舩岛洋纪副教授、高亮度光科学研究中心的河口彰吾主干研究员的研究小组通过精密控制碲化锗的电子结构，成功地使室温附近的热电转换输出因子注1 )增加到了现有材料的最大两倍。 并且，还表明了在热电性能提高方面，除了以往已知的价电子带之外，还出现了新的价电子带。 本研究成果涉及将世界上存在的废热中总量较多的室温废热作为电再利用的废热利用技术的关键技术，期待着对环境发电技术注2 )的应用和节能社会的实现做出贡献。 另外，本研究成果将于日本时间2021年8月12日(周四)在Elsevier公司发行的“今日物理材料”上在线刊登。 <研究内容> ·一次能源中的约70 %作为废热被丢弃，从有效利用未利用能源的观点来看，有效利用这些废热是很重要的。 特别是，尽管已知室温附近的废热因废热温度分布依赖性而存在量多，但大多呈小规模且稀薄分散，因此除热电发电技术注3 )以外，很难回收。 但是，为此，在所需室温附近显示出高热电特性的“室温热电材料”的开发没有进展，几乎没有开发出超过约半个世纪前发现的现有材料的材料。 本研究成功地使以往作为在250~600 ℃下表现出高性能的热电材料而闻名的GeTe (碲化锗)的热电转换输出因子在室温~150℃、即室温附近增大，(图2左)。 该性能的提高通过使GeTe与Sb2Te3(碲化锑)固溶体注4 )，除了以往已知有助于热电性能的价电子带之外，新的价电子带的带端在非常狭窄的能量区域收缩，通过实验和计算弄清了起因于带端缩聚注5 ) (图2右)的事情。 通常，如果要通过这种方法实现室温区域的热电性能提高，则需要制作的材料的准确的晶体结构和电子结构的信息。 但是，该材料系具有根据试样制作条件和温度，可能会采用难以分辨的类似结构的特征。 而且，由于固溶体化材料的特征，很难得到正确的电子结构信息。 此次，小菅副教授等人的研究小组在大型辐射光设施SPring-8注6 )的粉末晶体结构分析光束线BL02B2中获取了制作的试料的高精度粉末衍射数据，对晶体结构进行了调查。 然后将其作为输入数据，进行了试样的电子结构的计算。 在这次的固溶体化试样中，一般已知如果不花费庞大的计算成本，则难以计算正确的电子结构，为了能够对具有这样特征的材料系统进行高效且高精度的计算，改良了计算代码，使得电子结构的精密控制成为可能。 此次开发的GeTe固溶体化试料显示出的热电转换输出因子比利用与本研究相同的简单试料制作工艺制作的室温现有材料Bi2Te3(碲化铋)在室温~150℃的温度范围内最大大两倍(图1 )。 另外，如Bi2Te3所示，通过使用纳米粒子的微细组织的优化等(图1 )，也蕴含着热电性能进一步提高的可能性。 通过将本研究的高性能化原理应用于其他材料系，也有可能从以往未纳入室温热电材料探索对象的材料群中发现新的室温热电材料，室温热电材料的开发有望加速发展。 <社会意义，未来计划> ·本研究成果揭示了室温热电材料的开发及其控制方法。 通过将本研究的成果推广到器件开发，将更接近于实现世界上现存废热中总量最多的室温废热高效转化为电的技术。 将来，作为Society 5.0提倡的用于支撑传感器·网络社会的微环境发电的独立型电源，将为实现近未来的IoT(Internet of Things )社会做出贡献，并期待作为能源的有效利用技术，为实现节能社会做出贡献。 另外，此次得到的材料作为替代稀有金属铋，使用资源量约多30倍的锗的替代材料，也将为省资源化战略做出巨大贡献。 图2.(左)本研究的GeTe固溶体化试料和以往的GeTe系材料的热电转换输出因子的温度依赖性(右)本研究的GeTe固溶体化试料(浅蓝色的曲线)和以往的GeTe系材料(茶色的曲线)的带端缩的示意图(用粉红色表示的能量宽度在室温附近为0.1 eV左右。 由于该能量宽度与温度成正比，因此在室温附近使多个能带端缩聚一般比在高温区域困难)。 <发表杂志> 该研究成果将于2021年8月12日在Elsevier出版的《今日物理材料》杂志上在线发表。 <杂志名称> 今日物理材料 <论文标题> 通过Gee systems在多个值之间进行转换的超级temperature power factor（超级 temperature power factor，超级temperature power factor，超级temperature power factor，超级temperature power factor，超级temperature power factor，超级 temperature power factor 作者 Tomohiro Oku，Hiroki Funashima，Shogo Kawaguchi，Yoshiki Kubota和Atsuko Kosuga <DOI编号> https:///10.1016/j.mtphys.2021.100484<对实现SDGs的贡献> 大阪府立大学通过其研究和教育活动，为SDGs17的目标和全球的可持续发展做出了贡献。 本研究是SDGs17的目标中的“7:向大家提供能量”。“精益化”，“9:为产业和技术创新奠定基础”等。 <研究资助资金等> 本研究是日本科学技术促进组织(JST)战略创造研究促进项目（JPMJPR17R4）的成果。 “创造利用微小能源的革新性环境发电技术”领域主页: https: //www.jst.go.jp/ k isoken/presto/research _area/ongoing/bunyah27-2.html 此外，这项研究的一部分是在电能技术基金会和谷川热力技术促进基金的支持下进行的。 <术语表> 注1）热电转换输出因子 它是测量热电性能的能量转换效率的尺度之一。 它用塞贝克系数（温度差每1℃的热电动 势）的平方与电导率（电的流动容易度的尺度）的乘积来表示。 注2:环境发电技术 提供一种利用存在于周围环境中的诸如热、光和振动的微小能量来发电的技术。 注3）热电发电技术 将热（温差）直接转化为电力的清洁发电技术。 利用了固体的物理现象塞贝克效应。 这是 一种适用于小规模分散型废热回收的技术。 该技术中使用的材料称为热电材料或热电转换 材料。 注4）固溶体 两种以上物质混合成完全均匀的固相的固体称为固溶体。 存在两种类型，其中一种晶相的 晶格点处的原子被另一种原子完全不规则地取代，或者另一种原子进入晶格的间隙。 注5）带端缩重 将多个能带端的能量位置在一定能量范围内对齐称为带端缩重。 通过增加收缩率，可以改 善热电性能的热电输出因子。 当希望在室温范围内进行缩聚时，需要在比在高温范围内的 情况更窄的能量范围内进行缩聚。 注6）大型同步辐射设施SPring-8 这是一个大型同步辐射设施，由理化学研究所拥有，位于兵库县播磨科学公园城市，产生 世界上性能最高的同步辐射，由JASRI提供用户支持。 SPring―8的名字来源于Super Photon ring―8 GeV。 SPring-8利用同步辐射进行了广泛的研究，包括纳米技术，生物技术和工业应用。 <参考URL等> 大阪府立大学大学院理学系研究科物理科学专业热电物性组， http://www2.p.s./～a-kosuga/ 【关于研究内容的咨询】大阪府 立大学理学系研究科 副教授 小菅厚子（小菅厚子） 电话:072-254-9826 电子邮件:a-kosuga[at]p.s. 【SPring-8/SACLA相关咨询】公益财团法人 高亮度光科学研究中心利用推进部 传播信息司 电话:0791-58-2785 电子邮件:kouhou[at]spring8.or.jp 【关于JST事业的咨询】 岛林优子（岛林优子） 科学技术振兴机构战略研究推进部绿色创新组 电话:03-3512-3526 电子邮件:presto[at]jst.go.jp 【采访相关咨询】大阪府立大 学宣传科 负责人:盐根 春华（春华遥） 电话:072-254-9103 电子邮件:opu-koho[at]ao. 【采访咨询】近畿大学宣传室 责任:坂本 电话:06-4307-3007（直通）电子邮件:koho[at]kindai.ac.jp 科学技术振兴机构宣传科 Tel:03-5214-8404 电子邮件:jstkoho[at]jst.go.jp |
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