廃熱回収アプリケーションのためのモジュール効率8%のテルル化ビスマス熱電材料

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iScience.2020 Jul;23(7):101340. S2589-0042(20)30527-7. doi: 10.1016/j.isci.2020.101340.Epub 2020-07-03.

廃熱回収アプリケーションのためのモジュール効率8%のテルル化ビスマス熱電材料

Bismuth Telluride Thermoelectrics with 8% Module Efficiency for Waste Heat Recovery Application.

Amin Nozariasbmarz
Bed Poudel
Wenjie Li
Han Byul Kang
Hangtian Zhu
Shashank Priya

PMID: 32688286 DOI: 10.1016/j.isci.2020.101340.

抄録

熱電発電機(TEG)は、無駄な熱を有用な電力に変換する費用対効果の高い持続可能な固体エネルギー変換メカニズムを提供します。テルル化ビスマス(BiTe)システムをベースとした熱電(TE)材料は、エネルギー生成からセンシング、冷却に至るまでのアプリケーションで広く利用されています。テルル化ビスマス(BiTe)系熱電材料は、中間温度(25℃～250℃)での高い変換効率を有しており、高いメリット(ZT)を持つ材料が求められています。ここでは、BiTe系TE材料の設計にブレークスルーをもたらし、それを利用して、最先端の市販モジュールと比較して40%高い8%の変換効率を持つモジュールを実証した。テルル化ビスマス合金の平均zTは、25〜250℃でp型で1.08、n型で0.84を達成した。zTの大幅な向上は、p型材料とn型材料の両方において、組成工学と欠陥工学によって達成されている。高い変換効率は、廃熱回収のためのTEGの移行を加速する。

Thermoelectric generators (TEGs) offer cost-effective and sustainable solid-state energy conversion mechanism from wasted heat into useful electrical power. Thermoelectric (TE) materials based upon bismuth telluride (BiTe) systems are widely utilized in applications ranging from energy generation to sensing to cooling. There is demand for BiTe materials with high figure of merit (zT) and TEG modules with high conversion efficiency over intermediate temperatures (25°C-250°C). Here we provide fundamental breakthrough in design of BiTe-based TE materials and utilize them to demonstrate modules with outstanding conversion efficiency of 8%, which is 40% higher compared with state-of-the-art commercial modules. The average zT of 1.08 for p-type and 0.84 for n-type bismuth telluride alloys is obtained between 25 and 250°C. The significant enhancement in zT is achieved through compositional and defect engineering in both p- and n-type materials. The high conversion efficiency accelerates the transition of TEGs for waste heat recovery.