1章 熱電変換の基礎

1節 熱電変換の基礎理論

• 1. 熱電現象とその原理
• 2. 熱電現象の熱力学
  • 2.1 現象論的輸送方程式
  • 2.2 熱電3現象の導出
  • 2.3 熱磁効果
• 3. 熱電効果および熱磁効果を用いるエネルギー変換の効率
  • 3.1 ゼーベック-ペルチェ効果を利用する発電・冷却の効率
  • 3.2 エッチングハウゼン-ネルンスト効果を利用する発電・冷却の効率
• 4. ボルツマン方程式の近似解に基づく輸送係数
• 5. 電子系の輸送係数
  • 5.1 B=0の場合のボルツマン方程式の近似解
  • 5.2 微分電気伝導率の構成要素
  • 5.3 複数のバンドが輸送に寄与する場合
  • 5.4 B≠0の場合のボルツマン方程式の近似解
• 6. フォノン系の輸送係数
• 7. SiGe系の熱電物性のシミュレーション
• 8. 電子系の近似
  • 8.1 非縮退の近似
  • 8.2 縮退の近似
  • 8.3 緩和時間一定の近似

2節 熱電材料の探索と設計指針

• 1. 熱電材料探索の指針
  • 1.1 一般的な指針
  • 1.2 物質因子
  • 1.3 電子構造の最適設計
• 2. 熱電物性の設計・制御に関する展開
  • 2.1 キャリア系の輸送係数の設計・制御
  • 2.2 フォノン系の輸送係数の設計・制御
  • 2.3 従来の熱電材料の概念を超えて

2章 熱電材料の高性能化と今後の展開

1節 バルク熱電材料

• 1. これまでに開発・研究されてきた代表的なバルク熱電材料
  • 1.1 テルライド
  • 1.2 高温材料
  • 1.3 酸化物
  • 1.4 新材料
  • 1.5 ナノ材料
• 2. 注目新材料系
  • 2.1 異常低熱伝導率物質
  • 2.2 ハーフホイスラー化合物
  • 2.3 自然ナノ構造熱電材料
• 3. 熱電材料研究における注意点

2節 酸化物材料

• 1. 結晶本来の性質に基づくバルク材料
  • 1.1 等方構造結晶
    • 1.1.1 高効率材料の設計指針
    • 1.1.2 n型SrTiO3
    • 1.1.3 n型ZnO
  • 1.2 異方構造結晶
    • 1.2.1 ナノブロックインテグレーションの概念
    • 1.2.2 層状コバルト酸化物
    • 1.2.3 層状ペロブスカイト型RP-STO
• 2. ナノ・ミクロ構造効果に基づく材料
  • 2.1 低次元ナノ構造材料
    • 2.1.1 低次元量子効果
    • 2.1.2 STO/STO:Nb系人工超格子
    • 2.1.3 ナノ界面フォノン散乱
  • 2.2 ナノ構造内臓バルク材料
    • 2.2.1 ナノボイド分散ZnO
    • 2.2.2 粒子配向材料
    • 2.2.3 シナジー的ナノ構造化

3節 薄膜・低次元系材料

• 1. 薄膜・低次元系熱電変換材料の出現
  • 1.1 理論の提唱
  • 1.2 実験による検証
• 2. 合成・作製技術
  • 2.1 MBE法
  • 2.2 MOCVD法
  • 2.3 PLD法
  • 2.4 その他の合成・作製技術
• 3. 性能の評価
  • 3.1 電気抵抗・ゼーベック係数の測定
  • 3.2 熱伝導率の測定
  • 3.3 ハーマン法
• 4. 実用化研究
  • 4.1 デバイス開発事例
  • 4.2 今後の展開

3章 熱電変換の評価

1節 材料物性の評価

• 1. はじめに何を知るべきか
• 2. 構造・組成の評価
  • 2.1 X線回折
  • 2.2 顕微鏡
  • 2.3 組成分析
• 3. 物性の評価
  • 3.1 電気特性
  • 3.2 磁性
  • 3.3 フォノン物性
• 4. ナノ材料の物性評価

2節 熱電物性の評価

• 1. 3つの熱電パラメタ
• 2. 抵抗率
  • 2.1 測定原理
  • 2.2 測定装置
  • 2.3 測定結果の解析
• 3. 熱伝導率
  • 3.1 測定原理
  • 3.2 測定装置の実際
  • 3.3 測定結果の解析
• 4. ゼーベック係数
  • 4.1 測定原理
  • 4.2 測定装置の実際
  • 4.3 測定結果の解析の例
• 5. 性能指数の測定
• 6. ナノ材料の計測

3節 モジュール評価

• 1. 発電特性 (モジュール特性)
  • 1.1 熱流量計 (金属ブロック) を用いるモジュール評価法
  • 1.2 ダブルヒータを用いるモジュール評価法

4節 冷却評価

• 1. サーモモジュールの基礎式
  • 1.1 性能指数
  • 1.2 吸熱量・放熱量
  • 1.3 吸放熱に必要な電力と成績係数
  • 1.4 最大温度差
• 2. サーモモジュールの特性図
• 3. 熱電材料の物性評価
  • 3.1 ゼーベック係数の測定
  • 3.2 電気抵抗率の測定
  • 3.3 熱伝導率の測定
• 4. サーモモジュールの性能評価
• 5. ハーマン法

4章 熱電発電・熱電冷却の高性能化

1節 熱電発電システムの高性能化

• 1. 熱電発電システム
  • 1.1 基本構成と方式
  • 1.2 熱源と素子材料
• 2. 熱源温度差を基にした熱電発電システム設計
  • 2.1 熱電発電システムでの出力の概算
  • 2.2 熱源温度差を基にした熱電発電システム設計
• 3. 熱電発電における素子化技術と高性能化
• 4. 熱取得と熱放出技術
• 5. 電力変換技術による熱電発電システムの高性能化
• 6. 将来展望

2節 熱電冷却システムの高性能化

• 1. 材料性能の高性能化への寄与
• 2. サーモモジュールの性能低下要因
  • 2.1 基板の熱抵抗
  • 2.2 モジュール接合の熱抵抗
  • 2.3 熱リーク
  • 2.4 電源リップル
• 3. サーモモジュール信頼性の向上
  • 3.1 サーモモジュールの故障モード
  • 3.2 サーモモジュールを用いた熱交換器のタイプと信頼性
  • 3.3 温度制御と信頼性
• 4. 半導体製造プロセスへの適用
  • 4.1 直接循環式薬液恒温装置 (ケミカルサーキュレータ)
  • 4.2 クーリングプレート
  • 4.3 エッチングプロセスチャンバ温調器
• 5. 多段モジュール
  • 5.1 赤外線センサ
  • 5.2 CCD (Charge Coupled Device) カメラ

5章 市場と動向

1節 発電への市場と動向

• 1. 熱電発電の実用化・事業化へのアプローチ
• 2. 市場創成のシナリオ
• 3. 市場展開への課題と展望

2節 冷却への市場と動向

• 1. 背景
• 2. 主な応用製品の現状
• 3. 環境及び社会的影響要因
• 4. 新しい発電の開発
• 5. チャレンジ
• 6. 熱電マーケットの現状
  • 6.1 短期的
    • 6.1.1 自動車内の冷却・加熱システムの拡張利用
    • 6.1.2 電子部品内蔵品の冷却
    • 6.1.3 電子部品内蔵品の冷却
  • 6.2 中期的
    • 6.2.1 電子チップ冷却
    • 6.2.2 自動車用、家庭用、小型産業用ヒートポンプ
    • 6.2.3 個人用冷却・加熱製品
    • 6.2.4 個人用局所用温度制御
    • 6.2.5 可搬型定置式医療デバイスの温度制御
    • 6.2.6 LEDディスプレイ
    • 6.2.7 電池温度制御
  • 6.3 長期的
    • 6.3.1 超伝導関連の冷却
    • 6.3.2 冷蔵システム
    • 6.3.3 オンデマンド飲み物冷却
• 7. 結論