熱電変換 ― なぜ最適キャリア濃度があるのか

温度差をつけると電圧が出る Seebeck 効果の起源は,高温側で大きな運動エネルギーをもった荷電粒子(電子や正孔)が低温側へ拡散しようとするところにあります. ①ではその様子(熱的な揺らぎの大小,電荷の偏り,回路をつなぐと流れる電流)をアニメーションで見ます. ②では単一放物線バンドモデルで S, σ, κ をキャリア濃度に対して計算し,性能指数 ZT が山になる(頂上は 1019–1020 cm−3 付近)ことを確かめます. ③–⑥では,山の高さを決める品質因子 B,格子熱伝導率を下げる PGEC,変換効率と冷却,実材料の使いどころを扱います.

東京理科大学 望月研究室 / ①は 2 次元の古典粒子による模式で,電圧は |S| で目盛を付けたものです.②③④は単一放物線バンドモデル(音響フォノン散乱)をこのページの JavaScript がその場で計算する教育用のもので,プリセットは桁の目安です(実測の ZT を再現するものではありません). 近似・導出・出典は解説ページ(付録 A)にあります.