研究トピックス

2024.01.04　過去最高の変換効率を示す毒性元素を含まない熱電材料

元素戦略MDX研究センターのホ・シンイ博士研究員、片瀬貴義准教授、神谷利夫教授、同 物質理工学院 材料系の木村茂大学院生（研究当時）らの研究グループは、バリウム・シリコン・酸素の組成からなるBa₃SiOが、毒性元素を含まない材料として過去最高の熱電変換効率を示し、高性能熱電材料として有望であることを発見した。
これまで、廃熱を電気エネルギーとして再利用するための熱電変換材料には、鉛やテルルなどの希少で毒性を有する元素が使われており、より安価で環境に優しい材料の開発が求められていた。一方、SrTiO₃に代表される酸化物熱電材料は、無毒で豊富な元素で構成されるというメリットがあるものの、熱伝導率が高いために変換効率が低いという問題を抱えていた。

本研究では、“逆”ペロブスカイト構造と呼ばれる特殊な結晶構造を有するBa₃SiOが、SrTiO₃に比べて約1桁低い熱伝導率を示すことを見出した。このBa₃SiOでは、陽イオンと陰イオンの配置がSrTiO₃とは“逆”になっており、重元素のバリウム（Ba）を多く含み、弱いO－Ba結合からなる柔らかい骨格を有していることから、低い熱伝導率が実現される。本研究ではさらに、第一原理量子計算から、

通常は陽イオンになるシリコン（Si）が陰イオンとして振る舞い、電荷キャリアの移動を担うことで高い電気出力を実現できることを明らかにした。このことから、Ba₃SiOは300度付近の中温域において、毒性元素を含まない材料として最高の熱電変換効率（ZT）~2.1を示す有望材料であることが分かった。この性能は、鉛やテルルなどの毒性元素を含む材料の性能に匹敵することから、毒性元素を一切含まない環境調和型熱電材料への代替につながると期待できる。

今後、関連化合物のさらなる探索により、毒性元素を使わない優れた環境調和型熱電材料の開拓が可能になり、熱電変換技術の一層の普及が期待される。研究成果は「Advanced Science」誌に12月25日付（現地時間）で掲載された。

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