大阪府立大學與近畿大學工業高等專門學校(KUTC)、高輝度光科學研究中心(JASRI)透過精密控制碲化鍺(GeTe)的電子構造,成功地將室溫附近的熱電轉換效率最高增加至現有材料的2倍。
室溫附近的排熱存在量雖多,但大多是小規模且稀薄的狀態分散各處,因此難以利用熱電發電以外的技術予以回收,而適用於回收的室溫熱電材料在開發上則未有進展。
此次研究團隊將既有在250~600℃呈現高性能之熱電材料GeTe的熱電轉換功率因數,成功地增大至室温~150℃。研究團隊透過大型放射光設施「SPring 8」的粉末結晶構造解析光束「BL02B2」進行結晶構造分析後,確認除了既有已知的價帶(Valence Band)之外,另有新價帶形成,進而促使熱電性能的提升。此外,一般固溶體化的測試樣本難以進行正確的電子構造計算,研究團隊透過改良計算碼,進而實現電子構造的精密控制。
研究團隊將此次開發的GeTe固溶體化測試樣本與以同樣製程製作的既有材料Bi2Te3進行室温~150℃溫度範圍的熱電轉換功率因數比較後,確認GeTe固溶體化樣本的熱電轉換功率因素最大可提高到2倍。此外,若能如同Bi2Te3般,將奈米粒子微細組織予以最佳化的話,將可望進一步提升熱電性能。
藉由此次室溫材料開發、控制方法解析等研究成果,將可望有助於將室溫廢熱有效率轉換為電力的技術開發。此外,相較於既有材料使用的鉍(Bi),研究中使用的鍺(Ge)在資源量上多出約30倍,因此可望做為替代材料進行應用。