熱電変換材料を100万倍の効率で開発するシステム構築を推進：研究開発の最前線

茨城大学、東北大学、埼玉大学は、共同で取り組む研究開発プロジェクト「高速スクリーニングによる高効率トポロジカル熱電材料の創成」で、高効率な熱電変換材料を従来比100万倍の効率で開発するシステムの確立を目指す。

[MONOist]

　茨城大学は2024年10月4日、東北大学、埼玉大学と共同で取り組む研究開発プロジェクト「高速スクリーニングによる高効率トポロジカル熱電材料の創成」が、科学技術振興機構「ALCA-Next」の2024年度新研究開発課題に採択されたと発表した。高効率な熱電変換材料を従来比100万倍の効率で開発するシステムを確立し、2040年までに現在の太陽電池と同等のエネルギー変換効率30％を目指す。

　熱エネルギーを電気エネルギーに直接変換する熱電変換技術では、エネルギーの変換効率が上がらないという課題がある。研究チームは、その背景に「具体的な材料開発指針の欠如」「研究開発の効率性の低さ」「熱電物性の不確かさ」があると捉え、2つのアプローチで新たな熱電材料研究システムの構築を進める。

　まず、トポロジカル熱電材料の採用を軸として設計方針を確立する。トポロジカル物質は、熱流は材料内部を移動し、電子のキャリアは材料表面を移動するという特徴を持つ。トポロジカル物質をナノ構造化すると内部では熱伝導が抑制され、表面積が増加することで電気抵抗も低減する。その結果、熱と電気の独立した制御が可能となり、飛躍的に熱電性能は向上する。

　次に、評価試料の高速合成と高速計測の新規システムを開発する。複数の材料を4インチのウエハーに形成するコンビナトリアル薄膜合成技術により、探索速度の向上につながる合成材料を作製、実証する。

　また、高速計測として、高周波電流と直流電流に対する過渡応答の違いを活用するTDIS法を応用し、多点TDIS法を構築する。これまで数日かかっていたエネルギー変換効率の計測時間を、数分前後に短縮できる見込みだ。コンビナトリアル合成にそれらのデータをフィードバックし、試料合成と計測が一貫したシステムを作り上げる。

ウエハー外観［クリックで拡大］ 出所：茨城大学

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