1 はじめに 普段の生活ではあまり意識されないかもしれないが、注 意して我々の身の回りを見てみると、自動車、工場、パソ コン等から、膨大な廃熱が利用されずに棄てられているこ とに気が付く。米国ローレンス・リバモア国立研究所がまと めた 2016 年の推定によると、 米国において、 一次エネルギー の中で有効活用されているのはわずか 30.8 % であり、実 に 66.4 % が活用されずに棄てられている [1] 。エネルギーの 最終形態は熱であるので、すなわち、このほとんどが未利 用熱である。日本には少し古い推定しかないが、状況は米 国と類似しており、1998 年において、未利用熱は一次エネ ルギーの 66 % に達している [2] 。エネルギー白書を見てみ ると、1998 年における日本国内の一次エネルギーの供給 量は 18 × 10 18 J であるので [3] 、未利用熱は 12 × 10 18 J と 膨大な量になる。人類はエネルギーを有効活用できていな い。我々が直面しているさまざまなエネルギー・環境問題 を解決するための一つの戦略がこの未利用熱の有効活用 であり、その実現の鍵を握る技術がこの論文で取り扱う熱 電発電 用語 1 である。熱電発電を用いることで、膨大な未利 用熱を利用価値の高い電気エネルギーとして活用できる。 一般には聞きなれない熱電発電という技術は、これまで 宇宙開発の中で使用されて発展してきた。1950 年代の宇 宙開発の黎明期から現在に至るまで、熱電発電は太陽光 の届かない領域を探索する宇宙船等で、放射性同位体の 崩壊熱を熱源とした重要な電源として用いられている [4] 。 失敗の許されない宇宙開発において長年使用されてきたと いう事実は、熱電発電が高い信頼性を有する技術であるこ とを証明している。近年、この熱電発電を、エネルギー・ 環境問題が深刻化する中で、民生分野でも利用しようとす る試みが本格化している。例えば、12 % の発電効率を示 太田 道広 熱電発電が抱える二つの課題である、 低い変換効率と毒性・希少元素の含有を解決するために、国内外の研究機関と共同して、 前者 についてはナノテクノロジーを、 後者は元素代替を用いて解決を試みている。脚光の当たりやすい材料開発のみならず、 泥臭いモジュー ル開発等にも精力的に取り組み、熱電発電の高効率化、 低毒性化、 低コスト化に道筋をつけた。 さらに、熱電発電の市場開拓に積極的 に関与するために、 これら研究成果をもとにベンチャー企業を設立した。 この論文では、基礎研究から起業までの各ターニングポイント で、著者がとった研究戦略について議論する。 熱電発電の実用化に向けた高効率化と毒性・希少元素代替 − 未利用熱エネルギーの革新的活用に向けて − Michihiro OHTA We have successfully realized greater thermoelectric performance through nanotechnology and developed alternative materials that are more abundant and less toxic than the conventional materials. These studies were conducted in collaboration with domestic and overseas research institutions. A comprehensive effort to all aspects of thermoelectrics, i.e. from materials to module, has realized high-performance and environmentally friendly technologies. A startup company was founded in order to develop the thermoelectric market for these technologies. This article describes the research and development strategies employed to achieve practical use of thermoelectric power generation. キーワード：熱電発電、ナノ構造化、元素代替、技術移転、国際共同研究 Keywords：Thermoelectric power generation, nanostructuring, element strategy, technology transfer, international collaborative research 産業技術総合研究所 省エネルギー研究部門 〒 305-8568 つくば市梅園 1-1-1 中央第 2

Thermoelectric materials have potential applications in energy harvesting and electronic cooling devices, and bismuth antimony telluride (BiSbTe) alloys are the state-of-the-art thermoelectric materials that have been widely used for several decades. It is demonstrated that mixing SiC nanoparticles into the BiSbTe matrix effectively enhances its thermoelectric properties; a high dimensionless fi gure of merit ( ZT ) value of up to 1.33 at 373 K is obtained in Bi 0.3 Sb 1.7 Te 3 incorporated with only 0.4 vol% SiC nanoparticles. SiC nanoinclusions possessing coherent interfaces with the Bi 0.3 Sb 1.7 Te 3 matrix can increase the Seebeck coeffi cient while increasing the electrical conductivity, in addition to its effect of reducing lattice thermal conductivity by enhancing phonon scattering. Nano-SiC dispersion further endows the BiSbTe alloys with better mechanical properties, which are favorable for practical applications and device fabrication.

SnSe, a "simple" and "old" binary compound composed of earth-abundant elements, has been reported to exhibit a high thermoelectric performance in single crystals, which stimulated recent interest in its polycrystalline counterparts. This work investigated the electrical and thermal transport properties of pristine and Na-doped SnSe1-xTex polycrystals prepared by mechanical alloying and spark plasma sintering. It is revealed that SnSe1-xTex solid solutions are formed when x ranges from 0 to 0.2. An energy barrier scattering mechanism is suitable for understanding the electrical conducting behaviour observed in the present SnSe polycrystalline materials, which may be associated with abundant defects at grain boundaries. The thermal conductivity was greatly reduced upon Te substitution due to alloy scattering of phonons as well explained by the Debye model. Due to the increased carrier concentration by Na-doping, thermoelectric figure of merit (ZT) was enhanced in the whole temperature range with a maximum value of 0.72 obtained at a relatively low temperature (773 K) for Sn0.99Na0.01Se0.84Te0.16.

Na+diffuses and re-dissolves into matrix grains, resulting in carrier concentration modulation and thereby superior high temperature TE performances.