チタン含有酸化物材料のナノ構造・形態制御

含钛氧化物材料的纳米结构与形貌控制

基本信息

批准号：
08F08710
负责人：
河本邦仁
金额：
$ 1.28万
依托单位：
Nagoya University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2008
资助国家：
日本
起止时间：
2008 至 2010
项目状态：
已结题

项目摘要

SrTiO_3(STOと略称)系熱電変換材料のエネルギー変換効率をさらに上げるため、組成・構造・組織が制御されたナノセラミックスおよびナノコンポジットの構築を行い、熱電変換性能を詳細に検討した。また、熱電モジュールと太陽電池を組み合わせたハイブリッド太陽電池を設計・試作して、太陽エネルギーの更なる高効率利用に資する技術への展開を図った。先ず、SrTiO_3(STO)系熱電変換材料の変換効率をさらに向上するため、第二成分としてチタン酸カリウム(KTO)、安定化ジルコニアなどのナノワイヤを添加してナノコンポジット化し、出力因子を保ったまま熱伝導率の低減を狙った。Nb-STOマトリックスに低熱伝導性のKTO(チタン酸カリウム)ナノファイバを分散させて高ZT化を試みた結果、KTO粒子はSTOと一部反応してSTO粒界に沿って薄い層を形成し、これが熱伝導率を低下させるとともにSTOの粒成長を促進してキャリア移動度を上げることにより、これまでのNb-STOセラミックスの最高性能を上回ることに成功した。さらに、自家製のTiO_2系色素増感太陽電池フィルムとビスマステルル素子で構成される市販熱電モジュールを組み合わせたハイブリッドデバイスを試作し、擬似太陽光を用いた発電評価を行った。電流-電圧特性の詳細な測定から得られたエネルギー変換効率は、用いた太陽電池と熱電モジュールの性能に依存するが、7%～14%超に及んだ。14%を超える変換効率はビスマステルル系人工超格子熱電素子を用いた場合に得られた。色素増感太陽電池の透明性を利用して太陽熱を熱電素子で電気に変換することにより、トータルでSi太陽電池に匹敵するエネルギー変換効率が得られることを世界で初めて実証した。

为了进一步提高SrTiO_3（简称STO）基热电转换材料的能量转换效率，我们构建了成分、结构和组织受控的纳米陶瓷和纳米复合材料，并详细研究了其热电转换性能。我们还设计并制作了一种将热电模块和太阳能电池结合在一起的混合太阳能电池原型，旨在开发有助于更有效地利用太阳能的技术。首先，为了进一步提高SrTiO_3（STO）基热电转换材料的转换效率，添加钛酸钾（KTO）和稳定氧化锆等纳米线作为第二组分以创建纳米复合材料，同时保持输出因子。目的是降低热导率。尝试通过在 Nb-STO 基体中分散低导热率的 KTO（钛酸钾）纳米纤维来增加 ZT，结果表明 KTO 颗粒与 STO 部分反应，沿 STO 晶界形成薄层，从而降低导热率并促进 STO 晶粒。为了提高载流子迁移率，我们成功地超越了 Nb-STO 陶瓷迄今为止的最高性能。此外，我们还制作了一种混合装置原型，将自制的TiO_2染料敏化太阳能电池薄膜与市售的由碲铋元素组成的热电模块相结合，并利用模拟太阳光评估发电情况。对电流-电压特性的详细测量表明，能量转换效率范围从 7% 到 14% 以上，具体取决于所使用的太阳能电池和热电模块的性能。使用碲铋基人造超晶格热电器件获得了超过 14% 的转换效率。我们在世界上首次证明，利用染料敏化太阳能电池的透明性，利用热电元件将太阳热能转化为电能，可以获得与硅太阳能电池相当的总能量转换效率。