2014年02月12日08:33
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松下开发出了热电转换元件的新制造技术。虽然材料使用的是热电转换元件常用的铋（Bi）碲（Te）类，但因元件本身既小又薄，所以能在狭小的面积上排列大量元件。因此，制成热电转换模块后，与使用传统方法制成的同等性能的产品相比，面积可削减至1/4，高度可降至1/3（图1）。
图1：松下开发的π型热电转换模块
照片左侧为新开发的试制品。与以往的普通模块（照片右侧）相比，以1/4的面积即可实现相同的发电能力，高度也降至原产品的1/3左右，可实现小型、薄型化。
以配置256个元件的20mm见方、1.2mm高的试制模块为例，约100℃的温差可获得1W左右的电力。而且，加工时的材料浪费也很少，能把材料成本降到1/3，这也是新制法的一个特点。
为了在2014年度内使该技术形成业务，松下已开始进行实证试验，在自己的工厂里设置了这种热电转换模块，将其用作目视检查用照明电力来源。
利用极细的玻璃管生成晶体
松下开发新制法的原因是，“通过开发全新的材料来提高发电性能、降低成本非常困难。因此，首先就着眼于形状开发了新制法，由此提高了性能”（松下制造本部热电转换项目高级工程师前岛聪）。
普通的π型热电转换模块是在陶瓷基板上大量串联采用Bi-Te类材料的很小的热电转换元件来获得电动势。而松下采用的方法是缩小元件尺寸以更多地排列元件，从而增加单位面积的发电量。
新制法是将Bi-Te类材料加热到600℃左右进行熔融搅拌，然后再吸到直径0.8mm、长250mm的极细耐热玻璃管中进行冷却使晶体生长（图2）。具体做法是，使耐热玻璃管穿过由冷却单元和隔热板组成的局部冷却单元，于此同时将其上拉升，从而使玻璃管中的材料凝固（图3）。凝固后，把每个玻璃管中的Bi-Te类晶体材料切成薄片，并加工成元件，然后安装到基板上串联起来。
图2：热电转换元件的制法
对Bi-Te类材料进行熔融搅拌后，吸入玻璃管中，边上拉玻璃管边冷却。连同玻璃管一起切割，制造元件。
图3：制造装置的冷却部
为使玻璃管的轴向形成温差，慢慢上拉。这样，晶体就沿着轴向生长。
以往的热电转换模块为了确保强度，必须使用陶瓷基板，而采用新制法制作的元件被玻璃包覆，不易破损，使基板的自由度也更高。实际上，图1的试制品就是在采用聚酰亚胺的3层柔性基板上利用贴片机安装了元件。
普通的π型热电转换模块的元件是把利用区熔法＊1制作的Bi-Te类晶体材料的铸锭切割成正方体制造而成的。但该方法只能在有限的范围内削减元件尺寸。因为Bi-Te类材料的解理性高，所以难以切割成小尺寸。而且，切割时需要三次切削，材料损耗多，成品率低。据介绍，75%的材料都会变成粉末。
＊1 区熔法：对铸锭的局部进行带状加热使之融化，然后移动融化部分，使杂质集中到融化部分以获得高纯度材料的方法。
新制法不但元件小，而且只需沿着与玻璃管的轴垂直的方向切割一次即可制造出元件，因此材料损耗少。另外，因为有玻璃保护，解理性高的Bi-Te类材料也不容易损坏，拥有模块厚度方向强度高的优点。
此外，松下还改进了材料的组成。为了获得更大的电动势，运用第一性原理计算＊2进行模拟，由此探明了最佳载流子密度和载流子密度的控制因子。以此为基础，根据使用温度范围设计了材料。
＊2 第一性原理计算：以电子之间、原子核之间、电子与原子核之间的相互作用等量子力学原理为基础，计算物质特性等的方法。
一次处理16根玻璃管
实现以极细的玻璃管为单位制作元件这种新创意主要得益于以下两点。
一是对于晶体生长的控制。这种制法是使晶体沿玻璃管的轴向生长，为此，必须要严格控制玻璃管的上拉速度和冷却条件等。Bi-Te类材料的塞贝克效应具有各向异性，在晶体的生长方向形成温差能发挥更高的电动势。温差相同时，晶体生长方向的发电能力高达垂直方向的2.4倍左右。
另一点是生产效率的提高。因为切割一根玻璃管只能制造一个元件，生产效率较差。
因此，松下开发出了可优化上拉速度和冷却效果的专用制造装置。由此控制了元件的结晶状态和载流子密度。另外，该装置一次可批量处理16根玻璃管。这样一来，产能就有望达到1万模块/月。为了实现业务化，“目标是把成本降到数百日元”（前岛）。
将来还可用于车载用途
对于这种技术的应用，松下目前瞄准的是在100℃左右低温区域工作的发电器件。前岛表示，“打算作为能量采集的关键技术之一扩大影响力，用于传感器网络系统的局部分散型电源用途”。
不过，将来还打算用于300～500℃的高温区域，松下寄予厚望的是车载领域。由于可实现小而薄的热电转换模块，因此对配备空间有限的汽车来说非常理想。关于耐振动和耐冲击性能，试制品已经通过了该公司的车载产品试验，今后将测评耐高温性等，探索作为车载元件的可能性。除此之外，还设想用于工厂的废热再利用用途等。
松下正在为了将新技术用于高温领域而推进材料开发。面向低温区域可以使用Bi-Te类材料，但在高温区域就必须使用其他材料。
铅（Pb）-Te类材料被视为高温区域的有力候选，不过松下为了减轻对环境的负荷，正在和大学共同开发不使用铅的新材料。“计划用于发电量为KW、MW级的高温区域”（前岛）。（作者：吉田 胜，日经技术在线！供稿）
