特許 7502165 熱電変換モジュール及びそれを備える熱電発電装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-06-10

(45)【発行日】2024-06-18

(54)【発明の名称】熱電変換モジュール及びそれを備える熱電発電装置

(51)【国際特許分類】

   H10N 10/82 20230101AFI20240611BHJP

   H10N 10/17 20230101ALI20240611BHJP

   H02N 3/00 20060101ALI20240611BHJP

【ＦＩ】

H10N10/82

H10N10/17 Z

H02N3/00 A

【請求項の数】 11

(21)【出願番号】P 2020200546

(22)【出願日】2020-12-02

(65)【公開番号】P2022088228

(43)【公開日】2022-06-14

【審査請求日】2023-03-03

(73)【特許権者】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】504145342

【氏名又は名称】国立大学法人九州大学

(74)【代理人】

【識別番号】110003199

【氏名又は名称】弁理士法人高田・高橋国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】本田 暁拡

(72)【発明者】

【氏名】宗藤 伸治

【審査官】渡邊 佑紀

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２０－０８８０２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１３７８６６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－２６８２８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０８－２５４４６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１８／１７４１７３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１４／１１８９５９（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ１０Ｎ １０／８２

Ｈ１０Ｎ １０／１７

Ｈ０２Ｎ ３／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ｐ型半導体部と、ｐｎ接合界面を介して前記ｐ型半導体部と接合されたｎ型半導体部とを有する熱電変換素子と、
前記熱電変換素子と接触する複数の電極と、
を備える熱電変換モジュールであって、
前記複数の電極は、前記熱電変換素子から電力を取り出すための一対の第１出力電極及び一対の第２出力電極を含み、
前記熱電変換素子は、前記熱電変換素子に熱を供給する熱供給体の表面である加熱面の上に、前記加熱面に対して前記ｐｎ接合界面が垂直となるように配置され、
前記一対の第１出力電極は、前記加熱面と対向する前記ｐ型半導体部の表面であるｐ側対向面の反対側に位置するｐ側反対面に配置された第１ｐ側電極と、前記加熱面と対向する前記ｎ型半導体部の表面であるｎ側対向面と反対側に位置するｎ側反対面に配置された第１ｎ側電極であり、
前記一対の第２出力電極は、前記ｐ側対向面に配置された第２ｐ側電極と、前記ｎ側対向面に配置された第２ｎ側電極である
ことを特徴とする熱電変換モジュール。

【請求項2】

ｐ型半導体部と、ｐｎ接合界面を介して前記ｐ型半導体部と接合されたｎ型半導体部とを有する複数の熱電変換素子を電気的に直列に接続して得られる素子直列体と、
前記素子直列体と接触する複数の電極と、
を備える熱電変換モジュールであって、
前記複数の電極は、前記素子直列体から電力を取り出すための一対の第１出力電極及び一対の第２出力電極を含み、
前記素子直列体は、前記素子直列体に熱を供給する熱供給体の表面である加熱面の上に、前記素子直列体を構成する各熱電変換素子の前記ｐｎ接合界面が前記加熱面に対して垂直となるように配置され、
前記一対の第１出力電極は、前記素子直列体の一端に位置し、かつ前記加熱面と対向する前記ｐ型半導体部の表面であるｐ側対向面の反対側に位置するｐ側反対面に配置された第１ｐ側電極と、前記素子直列体の他端に位置し、かつ前記加熱面と対向する前記ｎ型半導体部の表面であるｎ側対向面と反対側に位置するｎ側反対面に配置された第１ｎ側電極であり、
前記一対の第２出力電極は、前記ｐ側対向面に配置された第２ｐ側電極と、前記ｎ側対向面に配置された第２ｎ側電極である
ことを特徴とする熱電変換モジュール。

【請求項3】

前記複数の熱電変換素子は、第１熱電変換素子と第２熱電変換素子とを含み、
前記第１熱電変換素子と前記第２熱電変換素子とは、前記第１熱電変換素子の前記ｎ型半導体部における前記ｐｎ接合界面と反対側の表面が前記第２熱電変換素子の前記ｐ型半導体部における前記ｐｎ接合界面と反対側の表面と直接的に接続されていることにより、電気的に直列に接続されている
ことを特徴とする請求項２に記載の熱電変換モジュール。

【請求項4】

前記複数の熱電変換素子は、第１熱電変換素子と第２熱電変換素子とを含み、
前記複数の電極は、前記第１熱電変換素子と前記第２熱電変換素子とを接続する素子間電極を含み、
前記第１熱電変換素子と前記第２熱電変換素子とは、前記第１熱電変換素子の前記ｎ型半導体部と記第２熱電変換素子の前記ｐ型半導体部とが直接的に接することなく前記素子間電極を介して接続されていることにより、電気的に直列に接続されている
ことを特徴とする請求項２に記載の熱電変換モジュール。

【請求項5】

前記熱供給体は、熱流を有し、
前記素子直列体は、前記素子直列体を構成する各熱電変換素子の前記ｐｎ接合界面が前記熱流の方向と平行となるように配置されている
ことを特徴とする請求項２～４の何れか１つに記載の熱電変換モジュール。

【請求項6】

請求項１～５の何れか１つに記載の前記熱電変換モジュールと、
前記熱電変換モジュールから電力の供給を受ける負荷機器と、
前記第１ｐ側電極及び前記第１ｎ側電極を介して前記熱電変換モジュールと前記負荷機器とを接続する第１電気回路と、
前記第２ｐ側電極及び前記第２ｎ側電極を介して前記熱電変換モジュールと前記負荷機器とを接続する第２電気回路と、
前記第１電気回路を開閉する第１スイッチと、
前記第２電気回路を開閉する第２スイッチと、
前記第１スイッチ及び前記第２スイッチのそれぞれの開閉を制御する制御装置と、
前記第１電気回路に設けられ、前記第１電気回路を流れる電流を検知する電流検知部と、
を備える熱電発電装置であって、
前記負荷機器は、前記第１電気回路と前記第２電気回路との間で共用された共用導線上に配置され、
前記制御装置は、前記熱電変換モジュールから前記負荷機器への電力供給のために前記第１スイッチを閉じ、かつ前記第２スイッチを開くことで前記第１電気回路を利用している際に、前記電流検知部によって前記第１電気回路の断線を検知した場合には、前記第２スイッチを閉じる
ことを特徴とする熱電発電装置。

【請求項7】

前記ｐ型半導体部及び前記ｎ型半導体部のそれぞれは、直方体形状を有し、かつ、前記加熱面と垂直な方向の長さの方が前記ｐｎ接合界面と垂直な方向の長さよりも大きくなるように形成されている
ことを特徴とする請求項１～５の何れか１つに記載の熱電変換モジュール。

【請求項8】

前記ｐ側反対面、前記ｎ側反対面、前記ｐ側対向面及び前記ｎ側対向面のうちの少なくとも１つには、対応する前記複数の電極の設置用の接合材を溜める凹部が形成されている
ことを特徴とする請求項１～５及び７の何れか１つに記載の熱電変換モジュール。

【請求項9】

前記複数の電極の少なくとも１つには、前記ｐ側反対面、前記ｎ側反対面、前記ｐ側対向面及び前記ｎ側対向面のうちの何れかと対向する表面に、接合材を溜める凹部が形成されている
ことを特徴とする請求項１～５、７及び８の何れか１つに記載の熱電変換モジュール。

【請求項10】

前記熱電変換素子は、前記ｐｎ接合界面に形成されている空乏層におけるバンドギャップの大きさが、前記ｐ型半導体部において電子正孔対を励起するためのエネルギの大きさ、及び前記ｎ型半導体部において電子正孔対を励起するためのエネルギの大きさの少なくとも一方よりも小さくなるように構成されている
ことを特徴とする請求項１～５、及び７～９の何れか１つに記載の熱電変換モジュール。

【請求項11】

前記熱電変換素子は、前記ｐｎ接合界面に形成されている空乏層におけるバンドギャップの大きさが、前記ｐ型半導体部において電子正孔対を励起するためのエネルギの大きさ、及び前記ｎ型半導体部において電子正孔対を励起するためのエネルギの大きさの少なくとも一方よりも小さくなるように構成されている
ことを特徴とする請求項６に記載の熱電発電装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、熱電変換モジュール及びそれを備える熱電発電装置に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、熱電変換素子が開示されている。この熱電変換素子は、ｐ型半導体素子と、ｎ型半導体素子と、電極とを備えている。ｐ型半導体素子は、絶縁支持体の内部に隔壁を介した一方に充填され、ゼーベック効果を有する。ｎ型半導体素子は、当該隔壁を介した他方に充填され、熱源側（高温側）の一端部においてｐ型半導体素子と直接電気的に接続され、ゼーベック効果を有する。電極は、熱源側と反対側に位置する絶縁支持体の側面に形成された開口部においてｐ型半導体素子及びｎ型半導体素子にそれぞれ設けられている。また、特許文献１には、上述の構成を有する複数の熱電変換素子を電気的に直列に接続して得られる熱電変換モジュールが開示されている。

【0003】

また、特許文献２には、熱電変換素子の内部に温度差がなくても発電できる半導体単結晶（熱電変換素子）として、チョクラルスキー法等の結晶成長法で製造されたＢａ_ｘＡｕ_ｙＳｉ_４６－ｙ等のクラスレート化合物が開示されている。さらに、特許文献３には、同様に温度差がなくても発電できる熱電変換素子として、ｐ型シリコンとｎ型シリコンとが接合された熱電変換素子が開示されている。また、特許文献４には、特許文献２に記載の半導体単結晶を熱電変換素子として用い、ｐｎ接合界面が加熱面（熱源）に対して垂直となるように当該熱電変換素子を配置した構成が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１１－１３４９４０号公報

【文献】国際公開第２０１５／１２５８２３号公報

【文献】特開２０２０－８８０２８号公報

【文献】特開２０１７－１３５１５２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１に記載の熱電変換モジュールの両端に設けられた電極（上述の複数の熱電変換素子のそれぞれの上記側面に設置された電極のうち、直列に接続された複数の熱電変換素子の集合体である熱電変換モジュールとして見た場合に両端に位置する２つの電極）と負荷機器とを接続する電気回路を構成することにより、熱電発電を行うことができる。しかしながら、この電気回路に断線が生じた場合には、熱電変換モジュールから電力を取り出せなくなる。したがって、熱電変換モジュールには、電力の取り出しに関する自由度を高めることが求められる。

【0006】

本発明は、上述のような課題に鑑みてなされたものであり、電力の取り出しに関する自由度を高めることが可能な熱電変換モジュール及びそれを備える熱電発電装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一態様に係る熱電変換モジュールは、熱電変換素子と、複数の電極とを備える。熱電変換素子は、ｐ型半導体部と、ｐｎ接合界面を介してｐ型半導体部と接合されたｎ型半導体部とを有する。
複数の電極は、熱電変換素子と接触しており、熱電変換素子から電力を取り出すための一対の第１出力電極及び一対の第２出力電極を含む。
熱電変換素子は、熱電変換素子に熱を供給する熱供給体の表面である加熱面の上に、加熱面に対してｐｎ接合界面が垂直となるように配置されている。
一対の第１出力電極は、加熱面と対向するｐ型半導体部の表面であるｐ側対向面の反対側に位置するｐ側反対面に配置された第１ｐ側電極と、加熱面と対向するｎ型半導体部の表面であるｎ側対向面と反対側に位置するｎ側反対面に配置された第１ｎ側電極である。
一対の第２出力電極は、ｐ側対向面に配置された第２ｐ側電極と、ｎ側対向面に配置された第２ｎ側電極である。

【0008】

本発明の他の態様に係る熱電変換モジュールは、素子直列体と、複数の電極とを備える、素子直列体は、ｐ型半導体部とｐｎ接合界面を介してｐ型半導体部と接合されたｎ型半導体部とを有する複数の熱電変換素子を電気的に直列に接続して得られる。
複数の電極は、素子直列体と接触しており、素子直列体から電力を取り出すための一対の第１出力電極及び一対の第２出力電極を含む。
素子直列体は、素子直列体に熱を供給する熱供給体の表面である加熱面の上に、素子直列体を構成する各熱電変換素子のｐｎ接合界面が加熱面に対して垂直となるように配置されている。
一対の第１出力電極は、素子直列体の一端に位置し、かつ加熱面と対向するｐ型半導体部の表面であるｐ側対向面の反対側に位置するｐ側反対面に配置された第１ｐ側電極と、素子直列体の他端に位置し、かつ加熱面と対向するｎ型半導体部の表面であるｎ側対向面と反対側に位置するｎ側反対面に配置された第１ｎ側電極である。
一対の第２出力電極は、ｐ側対向面に配置された第２ｐ側電極と、ｎ側対向面に配置された第２ｎ側電極である。

【0009】

複数の熱電変換素子は、第１熱電変換素子と第２熱電変換素子とを含んでもよい。そして、第１熱電変換素子と第２熱電変換素子とは、第１熱電変換素子のｎ型半導体部におけるｐｎ接合界面と反対側の表面が第２熱電変換素子のｐ型半導体部におけるｐｎ接合界面と反対側の表面と直接的に接続されていることにより、電気的に直列に接続されていてもよい。

【0010】

複数の熱電変換素子は、第１熱電変換素子と第２熱電変換素子とを含んでもよい。複数の電極は、第１熱電変換素子と第２熱電変換素子とを接続する素子間電極を含んでもよい。そして、第１熱電変換素子と第２熱電変換素子とは、第１熱電変換素子のｎ型半導体部と記第２熱電変換素子のｐ型半導体部とが直接的に接することなく素子間電極を介して接続されていることにより、電気的に直列に接続されていてもよい。

【0011】

熱供給体は、熱流を有してもよい。そして、素子直列体は、素子直列体を構成する各熱電変換素子のｐｎ接合界面が熱流の方向と平行となるように配置されていてもよい。

【0012】

本発明に係る熱電発電装置は、上述の熱電変換モジュールとともに、負荷機器と、第１電気回路と、第２電気回路と、第１スイッチと、第２スイッチと、制御装置と、電流検知部とを備える。
負荷機器は、熱電変換モジュールから電力の供給を受ける。第１電気回路は、第１ｐ側電極及び第１ｎ側電極を介して熱電変換モジュールと負荷機器とを接続している。第２電気回路は、第２ｐ側電極及び第２ｎ側電極を介して熱電変換モジュールと負荷機器とを接続している。第１スイッチは、第１電気回路を開閉する。第２スイッチは、第２電気回路を開閉する。制御装置は、第１スイッチ及び第２スイッチのそれぞれの開閉を制御する。電流検知部は、第１電気回路に設けられ、第１電気回路を流れる電流を検知する。
負荷機器は、第１電気回路と第２電気回路との間で共用された共用導線上に配置されている。
制御装置は、熱電変換モジュールから負荷機器への電力供給のために第１スイッチを閉じ、かつ第２スイッチを開くことで第１電気回路を利用している際に、電流検知部によって第１電気回路の断線を検知した場合には、第２スイッチを閉じる。

【0013】

ｐ型半導体部及びｎ型半導体部のそれぞれは、直方体形状を有し、かつ、加熱面と垂直な方向の長さの方がｐｎ接合界面と垂直な方向の長さよりも大きくなるように形成されていてもよい。

【0014】

ｐ側反対面、ｎ側反対面、ｐ側対向面及びｎ側対向面のうちの少なくとも１つには、対応する複数の電極の設置用の接合材を溜める凹部が形成されていてもよい。

【0015】

複数の電極の少なくとも１つには、ｐ側反対面、ｎ側反対面、ｐ側対向面及びｎ側対向面のうちの何れかと対向する表面に、接合材を溜める凹部が形成されていてもよい。

【0016】

熱電変換素子は、ｐｎ接合界面に形成されている空乏層におけるバンドギャップの大きさが、ｐ型半導体部において電子正孔対を励起するためのエネルギの大きさ、及びｎ型半導体部において電子正孔対を励起するためのエネルギの大きさの少なくとも一方よりも小さくなるように構成されていてもよい。

【0017】

熱電変換素子は、ｐｎ接合界面に形成されている空乏層におけるバンドギャップの大きさが、ｐ型半導体部において電子正孔対を励起するためのエネルギの大きさ、及びｎ型半導体部において電子正孔対を励起するためのエネルギの大きさの少なくとも一方よりも小さくなるように構成されていてもよい。

【発明の効果】

【0018】

本発明の一態様又は他の態様に係る熱電変換モジュールにおける一対の第１出力電極の配置によれば、加熱面に対してｐｎ接合界面が垂直となる方向において熱電変換素子の内部に生じ得る温度差を考慮して高い起電力を取り出すことが可能となる。そして、本熱電変換モジュールは、一対の第１出力電極だけでなく、もう一対の第２出力電極をも備えている。このため、１つの熱電変換モジュール１から２系統で起電力を取り出すことが可能となる。これにより、一対の第１出力電極と繋がる第１電気回路ともう一対の第２出力電極に繋がる第２電気回路とを備える熱電発電装置が構成された場合において、第１電気回路及び第２電気回路の一方に断線が生じたとしても、他方から電力を取り出すことが可能となる。また、種類の異なる２つの負荷機器が第１及び第２電気回路にそれぞれ接続された例では、１つの熱電変換モジュールによって種類の異なる２つの負荷機器を作動させることが可能となる。このように、本実施形態に係る熱電変換モジュール及びそれを備える熱電発電装置によれば、電力の取り出しに関する自由度を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明の実施の形態１に係る熱電変換素子の構成を模式的に示す図である。

【図2】図１に示す熱電変換素子のエネルギーバンド図である。

【図3】図１に示す熱電変換素子の発電原理を説明するための模式図である。

【図4】実施の形態１に係る熱電変換モジュールの構成を模式的に示す斜視図である。

【図5】図４に示す第１出力電極の配置場所が好ましいことを説明するための模式図である。

【図6】図５に示す電圧（起電力）Ａ～Ｃのそれぞれと温度との関係を表したグラフである。

【図7】比較例に係る熱電変換素子Ａの斜視図である。

【図8】実施の形態１に係る熱電発電装置の構成を示す模式図である。

【図9】本発明の実施の形態２に係る熱電発電装置の構成を示す模式図である。

【図10】実施の形態２に係る制御装置によって実行される処理の一例を示すフローチャートである。

【図11】本発明の実施の形態３に係る熱電変換モジュールの構成を模式的に示す斜視図である。

【図12】実施の形態３に係る素子直列体の他の構成例を示す模式図である。

【図13】本発明の実施の形態４に係る素子直列体の配置について説明するための図である。

【図14】図１に示す熱電変換素子への電極設置に関する課題を説明するための模式図である。

【図15】熱電変換モジュールの製造時に生じ得る接合材の液だれ抑制のために本発明の実施の形態５に係る対策を備える熱電変換素子の構成を示す模式図である。

【図16】熱電変換モジュールの製造時に生じ得る接合材の液だれ抑制のために実施の形態５に係る他の対策を備える素子間電極の構成を示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下に説明される各実施の形態において、各図において共通する要素には、同一の符号を付して重複する説明を省略又は簡略する。また、以下に示す実施の形態において各要素の個数、数量、量、範囲等の数に言及した場合、特に明示した場合や原理的に明らかにその数に特定される場合を除いて、その言及した数に、この発明が限定されるものではない。また、以下に示す実施の形態において説明する構造やステップ等は、特に明示した場合や明らかに原理的にそれに特定される場合を除いて、この発明に必ずしも必須のものではない。

【0021】

１．実施の形態１
１－１．熱電変換素子の構成
図１は、実施の形態１に係る熱電変換素子１０の構成を模式的に示す図である。図１に示す一例では、熱電変換素子１０は、角柱形状で形成されている。熱電変換素子１０は、ｐ型半導体部１２と、ｎ型半導体部１４とを備えている。ｐ型半導体部１２とｎ型半導体部１４とは、ｐｎ接合界面１６を介して直接的に接合されている。熱電変換素子１０は、以下に説明するように、その内部に温度差が生じていなくても発電可能に構成されている。

【0022】

ここでいう「温度差がなくても発電可能な熱電変換素子」は、「ｐｎ接合界面に形成されている空乏層（真性半導体部）におけるバンドギャップの大きさが、ｐ型半導体部において電子正孔対を励起するためのエネルギの大きさ、及びｎ型半導体部において電子正孔対を励起するためのエネルギの大きさの少なくとも一方よりも小さい」という関係（以下、便宜上、「関係Ｒ」と称する）を満たすように構成されたものをいう。特許文献２及び３のそれぞれには、このような関係Ｒを満たす熱電変換素子の構成例及び製造方法が詳述されている。

【0023】

本実施形態の熱電変換素子１０は、一例として、特許文献３（特開２０２０－８８０２８）に記載された例と同様に構成されている。具体的には、熱電変換素子１０は、ｐ型半導体部１２、ｎ型半導体部１４及び空乏層１８（後述の図２参照）の何れも、同一の半導体材料、例えばシリコン（バンドギャップ：約１．２ｅＶ）を用いて形成されている。そして、ｐ型及びｎ型半導体部１２、１４は、それぞれｐ型及びｎ型のドーパントでドープされている。すなわち、ｐ型及びｎ型半導体部１２、１４は、それぞれｐ型シリコン及びｎ型シリコンである。ｐ型ドーパントは、ホウ素、アルミニウム、ガリウム、インジウム、パラジウム、及びそれらの組み合わせからなる群より選択でき、また、ｎ型ドーパントは、リン、アンチモン、ヒ素、チタン、及びそれらの組み合わせからなる群より選択できる。

【0024】

上記構成を有する熱電変換素子１０は、例えば、ｐ型ドーパントによってドープされているシリコン粉末、及びｎ型ドーパントによってドープされているシリコン粉末を提供し、それらを積層して堆積させ、そして放電プラズマ焼結等の焼結方法で焼結してｐｎ接合を形成することによって得ることができる。

【0025】

図２は、図１に示す熱電変換素子１０のエネルギーバンド図である。熱電変換素子１０はｐｎ接合界面１６に形成されている空乏層１８を有し、かつｐ型及びｎ型半導体部１２、１４の双方が縮退半導体として構成されている。図２に示すように、熱電変換素子１０では、ｐ型半導体部１２、ｎ型半導体部１４及び空乏層１８を構成する材料自体のバンドギャップの大きさ（矢印２０、２２及び２４をそれぞれ参照）は略同一である。

【0026】

しかしながら、熱電変換素子１０では、ｐ型及びｎ型半導体部１２、１４の両方が縮退半導体であること、すなわちｐ型半導体部１２においてフェルミ準位２６が価電子バンド２８内にあり、かつｎ型半導体部１４においてフェルミ準位が伝導バンド３０内にあることによって、ｐ型半導体部１２において電子正孔対を励起するためのエネルギの大きさ（矢印３２参照）、及びｎ型半導体部１４において電子正孔対を励起するためのエネルギの大きさ（矢印３４参照）を大きくすることができる。

【0027】

その結果として、熱電変換素子１０では、空乏層１８におけるバンドギャップの大きさ（矢印２４）が、上記エネルギの大きさ（矢印３２、３４）よりも小さくなっている。すなわち、上述の関係Ｒが満たされている。

【0028】

図３は、図１に示す熱電変換素子１０の発電原理を説明するための模式図である。ｐ型半導体部１２とｎ型半導体部１４とが図３中の左側の図から中央の図のように接合されると、ｐｎ接合界面１６の近傍にあった電子と正孔とが結合し、ｐｎ接合界面１６の近傍に空乏層１８が形成される。ｎ型半導体部１４側の空乏層１８では、そこに存在した電子がなくなったことでプラスに帯電し、ｐ型半導体部１２では逆にマイナスに帯電する。その結果、中央の図に示すように、紙面左から右の方向に電界が発生する。

【0029】

上述の関係Ｒが満たされるようにバンドギャップアライメントが調整された熱電変換素子１０によれば、熱電変換素子１０に熱エネルギが与えられた際に、ｐｎ接合界面１６からの電子正孔対の励起が促進され、一方、両端のｐ型半導体部１２及びｎ型半導体部１４からの電子正孔対の励起は抑制される。その結果、熱電変換素子１０全体が均一温度で加熱された場合であっても、入熱によりｐｎ接合界面１６から励起した電子正孔対は、上述の電界によって図３中の右側の図のように分極し、起電力が発生する。より詳細には、関係Ｒが満たされることにより、熱電変換素子１０全体が均一温度で加熱された場合であっても、空乏層１８（真性半導体部分）での電子励起確率が、縮退したｐ型及びｎ型半導体部１２、１４での電子励起確率よりも大きくなり、空乏層１８のキャリア密度が相対的に大きくなる。このようにして空乏層１８で生成されたキャリア（すなわち、電子及び正孔）は、エネルギの低いｎ側及びｐ型半導体部１４、１２側にそれぞれ拡散していくことになる。このように空間的な電荷分離が起こることにより、起電力が発生する。

【0030】

熱電変換素子１０では、上述の関係Ｒが満たされている空乏層１８が「狭バンドギャップ層」として機能することにより、温度差がなくても発電が可能となる。そこで、以下の説明では、このような狭バンドギャップ層を利用して起電力が生じる効果が「狭バンドギャップ（Narrow Band Gap）効果」と称され、温度差に基づいて起電力が生じる「ゼーベック効果」と区別される。

【0031】

なお、狭バンドギャップ効果を得るための関係Ｒは、例えば、熱電変換素子が空乏層を有し、かつｐ型及びｎ型半導体部の一方のみが縮退半導体であることによって、空乏層におけるバンドギャップの大きさが、ｐ型半導体部及びｎ型半導体部の何れか一方のみにおいて電子正孔対を励起するためのエネルギの大きさよりも小さくなっていることで満たされてもよい。

【0032】

また、特許文献２（国際公開第２０１５／１２５８２３号公報）に記載されたＢａ_ｘＡｕ_ｙＳｉ_４６－ｙ等のクラスレート化合物である半導体単結晶では、真性半導体部（空乏層）におけるバンドギャップが、ｐ型及びｎ型半導体部の少なくとも一方におけるバンドギャップよりも小さくなっている。このため、上述の関係Ｒは、このような半導体単結晶によっても満たされる。したがって、当該半導体単結晶が本発明に係る熱電変換素子として用いられてもよい。この熱電変換素子の例においても、狭バンドギャップ効果を得ることができる。

【0033】

１－２．熱電変換モジュールの構成
図４は、実施の形態１に係る熱電変換モジュール１の構成を模式的に示す斜視図である。本実施形態の熱電変換モジュール１は、上述の熱電変換素子１０とともに、一対の第１出力電極３６、３８及び一対の第２出力電極４０、４２（本発明に係る「熱電変換素子と接触する複数の電極」）を備えている。これらの出力電極３６～４２は、熱電変換素子１０から電力を取り出すために備えられている。出力電極３６～４２の配置の詳細は、図５及び６とともに後述される。

【0034】

図４には、熱電変換素子１０に熱を供給する熱供給体４４が図示されている。熱電変換モジュール１の設置対象は特に限定されないが、その一例は車両である。そして、内燃機関を備える車両の例では、熱供給体は、例えば、排気管、内燃機関本体（シリンダブロック若しくはシリンダヘッド）、又は、内燃機関を冷却するエンジン冷却水が流通する冷却水パイプ若しくは冷却水ホースである。また、熱供給体の他の例として、車両に搭載されたバッテリが挙げられる。本実施形態の熱供給体４４は、一例として排気管であるものとする。

【0035】

熱電変換素子１０は、熱供給体４４の表面である加熱面４６の上に、加熱面４６に対してｐｎ接合界面１６が垂直となるように配置されている。図４に示す例では、熱電変換素子１０は、絶縁材４８を介して加熱面４６の上に配置されている。より具体的には、熱電変換素子１０は、一対の第２出力電極４０、４２及び絶縁材４８を介して加熱面４６と接触している。なお、金属製の排気管等と異なり、ゴム製の冷却水ホースのように熱供給体自体が絶縁性の高い材質で構成されている例では、絶縁材４８は設けられていなくてもよい。

【0036】

付け加えると、狭バンドギャップ効果を有する熱電変換素子１０において、加熱面４６に対してｐｎ接合界面１６が垂直となる配置（本実施形態の配置）が、加熱面４６に対してｐｎ接合界面１６が平行となる配置よりも好ましい理由は次の通りである。すなわち、後者の配置例では、ｐ型半導体部１２又はｎ型半導体部１４におけるｐｎ接合界面１６と反対側の表面が加熱面４６と対向するように配置されることになる。その結果、加熱面４６と接したｐ型半導体部１２又はｎ型半導体部１４の温度が、空乏層１８の温度よりも高くなる態様で温度差が生じてしまうことがある。それに伴い、加熱面４６と接したｐ型半導体部１２又はｎ型半導体部１４において電子の熱励起が生じ易くなり、その結果として熱電変換素子１０の起電力が低くなる。したがって、本実施形態では、前者の配置例が採用されている。

【0037】

１－２－１．一対の第１出力電極の配置
熱電変換モジュール１では、一対の第１出力電極３６、３８が主たる一対の出力電極として用いられる。一対の第１出力電極３６、３８の配置場所は、以下に説明する知見に基づいて決定されている。

【0038】

上述のように加熱面４６に対してｐｎ接合界面１６が垂直となる向きで熱電変換素子１０が配置されている場合、外気による冷却の影響により、熱電変換素子１０の温度は、加熱面４６に近い側の部位（図４では紙面下側）において高くなり、加熱面４６から遠い側の部位（紙面上側）において低くなる。すなわち、ｐ型半導体部１２及びｎ型半導体部１４のそれぞれに、ｐｎ接合界面１６と平行な方向に温度差（以下、便宜上、「温度差Ａ」と称する）が生じることになる。このような温度差Ａが生じた場合には、ｐ型半導体部１２及びｎ型半導体部１４の内部では、狭バンドギャップ効果に起因する電子及び正孔の分極だけでなく、ゼーベック効果に起因する電子及び正孔の分極も発生する。

【0039】

図５は、図４に示す第１出力電極３６、３８の配置場所が好ましいことを説明するための模式図である。なお、図５では、各出力電極３６～４２の図示は省略されている。図５には、上記温度差Ａが生じている場合において、狭バンドギャップ効果及びゼーベック効果の双方に起因してｐ型及びｎ型半導体部１２、１４の内部にキャリア（電子及び正孔）が分極している様子が表されている。

【0040】

具体的には、まず、狭バンドギャップ効果によれば、ｐｎ接合界面１６を介してキャリアの移動により、図５中に実線の丸印で示されるように、ｐ型半導体部１２の側において正孔の数が増え、かつｎ型半導体部１４の側において電子の数が増えるようなキャリアの分布が形成される。さらに、ゼーベック効果により、図５中に破線の丸印で示されるように、ｐ型半導体部１２では加熱面４６から遠い側において正孔の数が増え、かつｎ型半導体部１４では加熱面４６から遠い側において電子の数が増えるようなキャリアの分布も形成される。

【0041】

図５に示すキャリアの分布より、狭バンドギャップ効果及びゼーベック効果の双方に着目した場合には、ｐ型半導体部１２では加熱面４６から遠い側の端部において正孔の密度が高くなり、また、ｎ型半導体部１４では加熱面４６から遠い側の端部において電子の密度が高くなることが分かる。このことは、熱電変換素子１０に温度差Ａが生じている場合には、一対の出力電極の位置に応じて取り出せる起電力が大きく変化することを示している。

【0042】

図５には、熱電変換素子１０からの起電力の取り出しに関する３つの例（電圧Ａ～Ｃ）が表されている。電圧Ａは、ｐ側反対面１２ｂとｎ側反対面１４ｂとの間の電圧に相当する。ｐ側反対面１２ｂとは、加熱面４６に対向するｐ型半導体部１２の表面であるｐ側対向面１２ａの反対側に位置する表面であり、ｎ側反対面１４ｂとは、加熱面４６に対向するｎ型半導体部１４の表面であるｎ側対向面１４ａの反対側に位置する表面である。電圧Ｂは、ｐ型半導体部１２におけるｐｎ接合界面１６と反対側の表面１２ｃの上端部（ｐ側反対面１２ｂの側の端部）と、ｎ型半導体部１４におけるｐｎ接合界面１６と反対側の表面１４ｃの上端部（ｎ側反対面１４ｂの側の端部）との間の電圧に相当する。電圧Ｃは、表面１２ｃの下端部（ｐ側対向面１２ａの側の端部）と、表面１４ｃの下端部（ｎ側対向面１４ａの側の端部）との間の電圧に相当する。

【0043】

図６は、図５に示す電圧（起電力）Ａ～Ｃのそれぞれと温度との関係を表したグラフである。なお、図６中に示す温度は、熱源である加熱面４６の温度である。図６には、温度差Ａが生じる環境下における各電圧Ａ～Ｃの測定結果が表されている。ここで、狭バンドギャップ効果のみにより得られる起電力（図示せず）自体は、図６に一例として示される２００℃～５００℃の範囲（一例）では、電圧Ａ～Ｃのどの計測位置であっても温度の上昇に伴って高くなる。

【0044】

これに対し、温度差Ａが生じている環境下における図６に示す例では、電圧Ａについては、ゼーベック効果に起因するキャリアの分極が起電力を高めるように作用しており、各温度において他の電圧Ｂ、Ｃよりも高くなっている。より詳細には、図６に示す温度範囲では、電圧Ａは、温度が高いほど、他の電圧Ｂ、Ｃとの差が大きくなっている。また、電圧Ｃは、２００℃では狭バンドギャップ効果により得られる起電力がゼーベック効果の作用によって打ち消されることによってゼロ付近の値を示し、かつ、さらに温度が高くなるにつれ、ゼーベック効果の影響が高まって負側に大きくなっている。

【0045】

図６に示す一例から、熱電変換素子１０に温度差Ａが生じた場合には、一対の出力電極を適切な場所に配置しないと、取り出せる起電力が極端に小さくなる可能性があることが分かる。換言すると、熱電変換素子１０に温度差Ａが生じることを考慮した場合には、一対の出力電極はｐ側反対面１２ｂ及びｎ側反対面１４ｂに配置することが良いことが分かる。

【0046】

そこで、本実施形態の熱電変換モジュール１では、図４に示すように、主たる出力電極である一対の第１出力電極の第１ｐ側電極３６及び第１ｎ側電極３８は、それぞれ、ｐ側反対面１２ｂ及びｎ側反対面１４ｂに配置されている。

【0047】

１－２－２．一対の第２出力電極の配置
また、本実施形態の熱電変換モジュール１は、熱電変換素子１０からの電力の取り出しに関する自由度を高めるために、もう一対の出力電極、すなわち、一対の第２出力電極４０、４２を備えている。図４に示すように、一対の第２出力電極の第２ｐ側電極４０及び第１ｎ側電極４２は、それぞれ、ｐ側対向面１２ａ及びｎ側対向面１４ａに配置されている。

【0048】

１－２－３．熱電変換素子の好ましい外形
上述のように、熱電変換素子１０は、角柱形状で形成されており、広く言えば、立方体形状、又は任意の直方体形状を有していてもよい。

【0049】

具体的には、図７は、比較例に係る熱電変換素子Ａの斜視図である（出力電極及び絶縁材４８の図示は省略されている）。この熱電変換素子Ａは、直方体形状を有し、かつ、ｐ型半導体部及びｎ型半導体部のそれぞれは、加熱面４６と垂直な方向の長さＬ１の方がｐｎ接合界面と垂直な方向の長さＬ２よりも大きくなるように形成されている。本発明に係る熱電変換素子は、このような外形を有する熱電変換素子Ａであってもよい。

【0050】

そのうえで、上述の図４に示すように、本実施形態の熱電変換素子１０では、ｐ型半導体部１２及びｎ型半導体部１４のそれぞれは、直方体形状を有し、かつ、加熱面４６と垂直な方向の長さＬ１の方がｐｎ接合界面１６と垂直な方向の長さＬ２よりも大きくなるように形成されている。換言すると、ｐ型半導体部１２は、表面（ｐｎ接合界面１６と反対側の表面）１２ｃの面積の方がｐ側対向面１２ａの面積よりも大きくなるように形成されている。同様に、ｎ型半導体部１４は、表面（ｐｎ接合界面１６と反対側の表面）１４ｃの面積の方がｎ側対向面１４ａの面積よりも大きくなるように形成されている。

【0051】

上述の外形を有する熱電変換素子１０によれば、加熱面４６から所定の熱量を受け取ったときに、図７に示す熱電変換素子Ａと比べて、加熱面４６に対する熱電変換素子１０の高さ方向（長さＬ１と平行な方向）の端部間（すなわち、対向面１２ａ、１４ａと反対面１２ｂ、１４ｂとの間）での温度差を大きくすることができる。これにより、上述の温度差Ａが生じている場合に、一対の第１出力電極３６、３８を介して取り出せる起電力を大きくすることができる。

【0052】

１－３．熱電発電装置の構成例
熱供給体４４から熱の供給を受けている熱電変換モジュール１を所定の負荷機器と電気的に接続することにより熱電変換モジュール１から電力を取り出すことができる。図８は、実施の形態１に係る熱電発電装置１００の構成を示す模式図である。

【0053】

図８に示す例では、熱電発電装置１００は、２つの負荷機器５０、５２と、第１電気回路５４と、第２電気回路５６とを備えている。負荷機器５０、５２は、熱電変換モジュール１から電力の供給を受ける機器であり、例えば、ランプ、エアコン等の車両の電装部品又は電動モータである。２つの負荷機器５０、５２は、同じ種類の機器（例えば、２つのランプ）であってもよいし、異なる種類の機器であってもよい。

【0054】

第１電気回路５４は、第１ｐ側電極３６及び第１ｎ側電極３８を介して熱電変換モジュール１と一方の負荷機器５０とを接続している。第２電気回路５６は、第２ｐ側電極４０及び第２ｎ側電極４２を介して熱電変換モジュール１ともう一方の負荷機器５２とを接続している。

【0055】

熱電発電装置１００によれば、熱の供給を受けて熱電変換モジュール１が起電力を発生させている時、第１電気回路５４では、熱電変換素子１０全体が均一温度で加熱された場合及び上述の温度差Ａが生じている場合の何れであっても、第１ｐ側電極３６から負荷機器５０を介して第１ｎ側電極３８に向けて電流が流れる。また、第２電気回路５６では、熱電変換素子１０全体が均一温度で加熱された場合には、第１電気回路５４と同様に、第２ｐ側電極４０から負荷機器５２を介して第２ｎ側電極４２に向けて電流が流れる。一方、温度差Ａが生じている場合には、第２電気回路５６では、温度域によって（図６に示す例では、２００℃よりも高い温度域において）第２ｎ側電極４２から負荷機器５２を介して第２ｐ側電極４０に向けて電流が流れる。

【0056】

なお、熱電変換モジュール１が起電力を発生させている時に負荷機器５０及び５２の少なくとも一方への電力の供給と停止とを切り替えることが求められる場合には、熱電発電装置１００は、第１電気回路５４及び第２電気回路５６の少なくとも一方を開閉するスイッチと、当該スイッチを制御する制御装置とを備えてもよい。

【0057】

１－２．効果
以上説明した熱電変換モジュール１における一対の第１出力電極３６、３８の配置によれば、温度差Ａが生じた場合であっても、狭バンドギャップ効果に起因するキャリアの分極に対してゼーベック効果に起因するキャリアの分極が与える作用を効果的（相乗的）に利用して高い起電力を取り出すことが可能となる（図５、６参照）。

【0058】

そのうえで、熱電変換モジュール１は、一対の第１出力電極３６、３８だけでなく、もう一対の第２出力電極４０、４２をも備えている。このため、１つの熱電変換モジュール１から２系統で起電力を取り出すことが可能となる。これにより、第１電気回路５４及び第２電気回路５６の一方に断線が生じた場合であっても、他方から電力を取り出すことが可能となる。また、２つの負荷機器５０、５２が異なる種類の機器である例では、１つの熱電変換モジュール１によって種類の異なる２つの機器を作動させることも可能となる。このように、本実施形態の熱電変換モジュール１及びそれを備える熱電発電装置１００によれば、電力の取り出しに関する自由度を高めることができる。

【0059】

２．実施の形態２
２－１．熱電発電装置の構成
図９は、実施の形態２に係る熱電発電装置２００の構成を示す模式図である。この熱電発電装置２００は、実施の形態１の熱電発電装置１００と異なり、１つの負荷機器５０に対して２つの電気回路、すなわち、第１電気回路６０及び第２電気回路６２を備えている。

【0060】

具体的には、第１電気回路６０は、第１ｐ側電極３６及び第１ｎ側電極３８を介して熱電変換モジュール１と負荷機器５０とを接続している。第２電気回路６２は、第２ｐ側電極４０及び第２ｎ側電極４２を介して熱電変換モジュール１と上記負荷機器５０とを接続している。そして、負荷機器５０は、第１電気回路６０と第２電気回路６２の間で共用された共用導線６４上に配置されている。

【0061】

熱電発電装置２００は、さらに、第１スイッチ６６、第２スイッチ６８、制御装置７０及び電流検知部７２を備えている。第１スイッチ６６は、第１電気回路６０における共用導線６４以外の導線上に配置され、第１電気回路６０を開閉する。第２スイッチ６８は、第２電気回路６２における共用導線６４以外の導線上に配置され、第２電気回路６２を開閉する。

【0062】

制御装置７０は、電子制御ユニット（ＥＣＵ）であり、第１スイッチ６６及び第２スイッチ６８のそれぞれの開閉を制御するように構成されている。制御装置７０は、熱電変換モジュール１以外の電源（例えば、車両に搭載されたバッテリ）から供給される電力によって動作する。

【0063】

電流検知部７２は、第１電気回路６０における共用導線６４以外の導線上に配置され、第１電気回路６０を流れる電流Ｉを検知する。電流検知部７２の構成は、第１電気回路６０を流れる電流値を検知できるものであれば特に限定されない。電流検知部７２は、例えば、ホール素子を使用した非接触式の電流センサを用いて構成することができる。また、電流検知部７２は、例えば、その内部に設けられた低抵抗値の電気抵抗と、当該電気抵抗の両端電圧を検出する電圧センサとを備え、当該両端電圧に基づいて電流Ｉを検知するように構成されてもよい。

【0064】

２－２．制御装置による制御
上述のように構成された熱電発電装置２００では、負荷機器５０に電力を供給する場合には、制御装置７０は、基本的には、相対的に高い起電力を取り出し可能な第１電気回路６０を利用する。具体的には、制御装置７０は、第１スイッチ６６が閉じ（第１スイッチＯＮ）、かつ第２スイッチ６８が開く（第２スイッチＯＦＦ）ようにこれらのスイッチ６６、６８を制御する。このような制御状態（基本動作モード）では、負荷機器５０への電力供給のために、第１電気回路６０が利用され、第２電気回路６２は利用されない。

【0065】

そのうえで、基本動作モードの実行中に電流検知部７２によって第１電気回路６０の断線を検知した場合には、制御装置７０は、第２スイッチ６８を閉じる（第２スイッチＯＮ）ように構成されている。また、制御装置７０には、熱電変化モジュール１の異常を外部に知らせる警告灯７４が接続されている。制御装置７０は、上記の断線を検知した場合に警告灯７４を作動させるように構成されている。

【0066】

図１０は、実施の形態２に係る制御装置７０によって実行される処理の一例を示すフローチャートである。このフローチャートの処理は、熱電変換モジュール１から負荷機器５０への電力供給のために第１電気回路６０を利用している時（上述の基本動作モードの実行中）に繰り返し実行される。

【0067】

図１０では、制御装置７０は、まずステップＳ１００において、電流検知部７２を用いて第１電気回路６０を流れる電流Ｉを取得する。その後、処理はステップＳ１０２に進む。

【0068】

ステップＳ１０２では、制御装置７０は、第１電気回路６０に断線が生じたか否かを判定する。具体的には、制御装置７０は、例えば、ステップＳ００において取得した電流Ｉが所定の閾値未満であるか否かに基づいて断線の有無を判定する。その結果、制御装置７０は、断線が生じていないと判定した場合には今回の処理サイクルを終了する（すなわち、基本動作モードを継続する）。

【0069】

一方、ステップＳ１０２において断線が生じていると判定した場合には、処理はステップＳ１０４に進む。ステップＳ１０４では、制御装置７０は、第２スイッチ６８を閉じる（第２スイッチＯＮ）。その後、処理はステップＳ１０６に進み、制御装置７０は、警告灯７４を点灯させる（警告灯ＯＮ）。

【0070】

２－２．効果
以上説明した熱電発電装置２００によれば、負荷機器５０への電力供給のためのメインの第１電気回路６０に断線が生じた場合に、熱電変換素子１０が第２出力電極４０、４２から起電力を取り出し可能な温度環境下にあることを条件として、サブの第２電気回路６２を利用して負荷機器５０への電力供給を継続することができる。

【0071】

３．実施の形態３
３－１．熱電変換モジュールの構成
図１１は、実施の形態３に係る熱電変換モジュール２の構成を模式的に示す斜視図である。この熱電変換モジュール２は、複数（一例として３つ）の熱電変換素子１０を用いて構成されている。

【0072】

具体的には、熱電変換モジュール２は、３つの熱電変換素子１０（１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ）を電気的に直列に接続して得られる素子直列体７６を備えている。ここで、素子直列体７６の具体的な構成を説明するために、便宜上、隣り合う２つの熱電変換素子１０を「第１熱電変換素子」と「第２熱電変換素子」と称する。図１１に示す例では、紙面左側の熱電変換素子１０Ａを「第１熱電変換素子」として見た場合、紙面中央の熱電変換素子１０Ｂが「第２熱電変換素子」に相当する。また、紙面中央の熱電変換素子１０Ｂを「第１熱電変換素子」として見た場合、紙面右側の熱電変換素子１０Ｃが「第２熱電変換素子」に相当する。

【0073】

図１１に示すように、第１の熱電変換素子と第２の熱電変換素子とは、第１の熱電変換素子のｎ型半導体部におけるｐｎ接合界面と反対側の表面（例えば、熱電変換素子１０Ａの表面１４ｃＡ）が第２の熱電変換素子のｐ型半導体部におけるｐｎ接合界面と反対側の表面（例えば、熱電変換素子１０Ｂの表面１２ｃＢ）と直接的に接続されていることにより、電気的に直列に接続されている。

【0074】

そして、素子直列体７６は、素子直列体７６に熱を供給する熱供給体４４の加熱面４６の上に（絶縁材４８を介して）、素子直列体７６を構成する各熱電変換素子１０（１０Ａ～１０Ｃ）のｐｎ接合界面１６が加熱面４６に対して垂直となるように配置されている。

【0075】

また、素子直列体７６から電力を取り出すために、熱電変換モジュール２は、熱電変換モジュール１と同様に、１対の第１出力電極３６、３８及び１対の第２出力電極４０、４２（本発明に係る「素子直列体と接触する複数の電極」）を備えている。

【0076】

具体的には、１対の第１出力電極の一方である第１ｐ側電極３６は、素子直列体７６の（積層方向（紙面左右方向）の）一端に位置するｐ側反対面（すなわち、熱電変換素子１０Ａのｐ側反対面１２ｂＡ）に配置されている。１対の第１出力電極の他方である第１ｎ側電極３８は、素子直列体７６の他端に位置するｎ側反対面（すなわち、熱電変換素子１０Ｃのｎ側反対面１４ｂＣ）に配置されている。

【0077】

また、１対の第２出力電極の一方である第２ｐ側電極４０は、素子直列体７６の上記一端に位置するｐ側対向面（すなわち、ｐ側対向面１２ａＡ）に配置されている。１対の第２出力電極の他方である第２ｎ側電極４２は、素子直列体７６の上記他端に位置するｎ側対向面（すなわち、ｎ側対向面１４ａＣ）に配置されている。

【0078】

３－２．効果
以上説明した熱電変換モジュール２によれば、複数の熱電変換素子１０を電気的に直列に接続して得られる素子直列体７６を備えることで、熱電変換モジュール２から取り出せる電力を高めつつ、実施の形態１と同様の効果を奏する。また、熱電変換モジュール２は、実施の形態１及び２の熱電発電装置１００及び２００に対し、熱電変換モジュール１の代わりに適用することもできる。

【0079】

３－３．素子直列体の他の構成例
図１２は、実施の形態３に係る素子直列体の他の構成例を示す模式図である。図１２に示す熱電変換モジュール３が備える素子直列体７８は、素子間電極８０を利用して複数（一例として３つ）の熱電変換素子１０（１０Ａ～１０Ｃ）を電気的に直列に接続して得られるように構成されている。以下、図１１に示す素子直列体７６に対する素子直列体７８の相違点について説明する。

【0080】

素子直列体７８では、図１２に示すように、上述のように定義された第１熱電変換素子と第２熱電変換素子とは、第１熱電変換素子のｎ型半導体部（例えば、ｎ型半導体部１４Ａ）と第２熱電変換素子のｐ型半導体部（例えば、ｐ型半導体部１２Ｂ）とが直接的に接することなく（換言すると、隙間を有しつつ）素子間電極８０を介して接続されていることにより、電気的に直列に接続されている。付け加えると、素子間電極８０は、一対の出力電極３６、３８の配置と同様の理由により、ｐ側反対面１２ｂ及びｎ側反対面１４ｂの側に配置されている。

【0081】

なお、素子直列体７８において対向し合う素子間（ｎ型半導体部１４Ａとｐ型半導体部１２Ｂの間、及び、ｎ型半導体部１４Ｂとｐ型半導体部１２Ｃの間）には、絶縁材が介在していてもよい。

【0082】

以上説明した熱電変換モジュール３によっても、熱電変換モジュール２と同様の効果を奏する。

【0083】

なお、本発明に係る熱電変換モジュールは、熱電変換モジュール２又は３とは異なり、電気的に並列に接続された本発明に係る複数の熱電変換素子を用いて構成されてもよい。

【0084】

４．実施の形態４
本発明に係る熱電変換素子に熱を供給する熱供給体には、排気管である上述の熱供給体４４の例のように、熱流（排気ガスの流れ）を有するものがある。実施の形態４では、このような熱流を有する熱供給体を利用する場合における素子直列体の適切な配置について説明される。以下の説明は、素子直列体７６を備える熱電変換モジュール２を例示して行われるが、素子直列体７８を備える熱電変換モジュール３（図１２参照）についても同じことが言える。

【0085】

４－１．素子直列体の配置
図１３は、実施の形態４に係る素子直列体の配置について説明するための図である。より詳細には、図１３（Ａ）は、熱流の方向を考慮したときに好ましくない配置例（比較例）を示し、図１３（Ｂ）は、熱流の方向を考慮したときに好ましい配置例（実施の形態４）を示している。

【0086】

まず、比較例について説明する。この比較例では、図１３（Ａ）に示すように、素子直列体７６は、素子直列体７６を構成する各熱電変換素子１０のｐｎ接合界面１６が排気ガスの流れ方向（すなわち、熱流の方向）と垂直になるように配置されている。排気ガスの温度は、下流側に向かうにつれて低下する。したがって、この配置が採用されると、各熱電変換素子１０のｐ型半導体部１２及びｎ型半導体部１４のそれぞれの内部では、排気ガスの流れ方向と平行な方向（紙面左右方向）に温度差が生じる場合がある。以下の説明では、上述の温度差Ａとの区別のために、ここでいう温度差を「温度差Ｂ」と称する。

【0087】

温度差Ｂが生じた場合、第１ｐ側電極３６が設置される紙面左端のｐ型半導体部１２Ａの内部温度は、ｐｎ接合界面１６Ａと反対側の表面１２ｃＡにおいて最も高くなり、ｐｎ接合界面１６Ａにおいて最も低くなる。その結果、表面１２ｃＡの側からｐｎ接合界面１６Ａの側に向かう正孔の移動が生じる。すなわち、表面１２ｃＡの側に電子が集まり、ｐｎ接合界面１６Ａの側に正孔が集まるという態様の分極が生じる。その結果、第１ｐ側電極３６から符号の異なるキャリアを取り出すことになる。このため、温度差Ｂの存在は起電力の低下を招くと考えられる。

【0088】

一方、本実施形態では、図１３（Ｂ）に示すように、素子直列体７６は、ｐｎ接合界面１６が排気ガスの流れ方向（熱流の方向）と平行となるように配置されている。

【0089】

４－２．効果
以上説明したように、素子直列体７６は、ｐｎ接合界面１６と垂直な方向の温度差Ｂが生じると、起電力が低下する。この点に関し、本実施形態では、素子直列体７６は、ｐｎ接合界面１６が排気ガスの流れ方向（熱流の方向）と平行となるように配置されている。これにより、起電力が低下する方向に温度差Ｂが生じにくくしつつ、熱流を有する熱供給体４４からの熱を利用した熱電変換モジュール２による発電を行えるようになる。

【0090】

５．実施の形態５．
５－１．熱電変換素子の構成
上述した熱電変換素子１０におけるｐ側反対面１２ｂ、ｎ側反対面１４ｂ、ｐ側対向面１２ａ及びｎ側対向面１４ａには、それぞれに対応する電極（第１ｐ側電極３６、第１ｎ側電極３８、第２ｐ側電極４０及び第２ｎ側電極４２、並びに素子間電極８０）が設置され得る（例えば、図４と図１２参照）。

【0091】

図１４は、図１に示す熱電変換素子１０への電極設置に関する課題を説明するための模式図である。図１４には、ｐ側反対面１２ｂ及びｎ側反対面１４ｂのそれぞれに設置される素子間電極（以下、単に「電極」と略される）８０が例示されているが、以下に説明される課題は、他の出力電極３６、３８、４０、４２の設置に関しても同様である。

【0092】

熱電変換素子１０への電極８０の設置には、接合材（例えば、銀ナノペースト）が用いられる。熱電変換モジュールの製造時に接合材を用いて電極８０を熱電変換素子１０に接合させる際に、電極８０とこれに対向する熱電変換素子１０の表面（ｐ側反対面１２ｂ等）との隙間から接合材が周囲に漏れ出す（液だれ）ことが起こり得る。例えば、図１４中に円Ｃ１を付して示す部位において液だれが生じると、ｐ型半導体部１２側の電極８０とｎ型半導体部１４側の電極８０とが、漏れ出た接合材を介して導通してしまう。その結果、発電を行えなくなる。また、円Ｃ２を付して示す部位において液だれが生じると、表面１２ｃに付着した接合材とこれに繋がっている電極８０とによって、当該電極８０を表面１２ｃにまで延ばした構成と同じ作用が得られてしまう。このことは、図５及び６を参照して説明した電圧Ａと電圧Ｂとの比較から分かるように、起電力の低下を招くことになる。

【0093】

図１５は、熱電変換モジュールの製造時に生じ得る接合材の液だれ抑制のために実施の形態５に係る対策を備える熱電変換素子８２の構成を示す模式図である。ｐ型半導体部８４とｎ型半導体部８６とを備える熱電変換素子８２は、以下の点を除き、熱電変換素子１０と同様に構成されている。

【0094】

熱電変換素子８２は、図１５に示すように、電極８０の設置面、すなわち、ｐ側反対面８４ｂ及びｎ側反対面８６ｂに、接合材を溜める凹部（湯溜まり）８８及び９０がそれぞれ形成されている。また、ここでは図示は省略されるが、このような凹部は、ｐ側対向面８４ａ及びｎ側対向面８６ａに第２出力電極４０及び４２が設置される場合には、ｐ側対向面８４ａ及びｎ側対向面８６ａに同様に形成されてもよい。付け加えると、本発明に係る「凹部」は、広く言えば、ｐ側反対面、ｎ側反対面、ｐ側対向面及びｎ側対向面のうちの少なくとも１つを対象として形成されてもよい。

【0095】

５－２．効果
以上説明した熱電変換素子８２によれば、電極８０の設置面に凹部８８、９０を備えているため、熱電変換モジュールの製造時に電極８０の設置面の周囲への接合材の液だれを抑制することができる。

【0096】

５－３．電極の他の形成例
図１６は、熱電変換モジュールの製造時に生じ得る接合材の液だれ抑制のために実施の形態５に係る他の対策を備える素子間電極９２の構成を示す模式図である。接合材の液だれ抑制のための対策は、図１５に示す熱電変換素子側の対策に代え、或いはそれとともに、図１６に示すように電極側において行われてもよい。すなわち、図１６には、そのような対策を備える素子間電極９２が表されている。素子間電極９２は、ｐ側反対面１２ｂに対向する表面に、接合材を溜める凹部９４が形成され、かつ、ｎ側反対面１４ｂに対向する表面に、同様の凹部９６が形成されている。このような電極側への対策によっても、接合材の液だれを抑制することができる。

【0097】

付け加えると、電極側への凹部の形成は、図１６に示す例以外にも、第１ｐ側電極、第１ｎ側電極、第２ｐ側電極、第２ｎ側電極及び素子間電極のうちの少なくとも１つを対象として同様に行われてもよい。

【0098】

６．他の実施の形態
本発明に係る「熱電変換モジュール」及びそれを備える「熱電発電装置」では、ｐｎ接合界面が加熱面に対して垂直となるように配置された熱電変換素子として、狭バンドギャップ効果を有する上述の熱電変換素子１０、８２の代わりに、狭バンドギャップ効果を有さずにゼーベック効果のみを利用する熱電変換素子が用いられてもよい。このゼーベック効果のみを利用する熱電変換素子の半導体材料としては、例えば、シリコンゲルマニウム（ＳｉＧｅ）、テルル化鉛（ＰｂＴｅ）、又はケイ化マグネシウム（Ｍｇ_２Ｓｉ）を用いることができる。

【0099】

以上説明した各実施の形態に記載の例及び他の各変形例は、明示した組み合わせ以外にも可能な範囲内で適宜組み合わせてもよいし、また、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々変形してもよい。

【符号の説明】

【0100】

１、２、３ 熱電変換モジュール
１０、８２ 熱電変換素子
１２、８４ ｐ型半導体部
１２ａ、８４ａ ｐ側対向面
１２ｂ、８４ｂ ｐ側反対面
１２ｃ ｐ型半導体部のｐｎ接合界面と反対側の表面
１４、８６ ｎ型半導体部
１４ａ、８６ａ ｎ側対向面
１４ｂ、８６ｂ ｎ側反対面
１４ｃ ｎ型半導体部のｐｎ接合界面と反対側の表面
１６ ｐｎ接合界面
１８ 空乏層
２６ フェルミ準位
２８ 価電子バンド
３０ 伝導バンド
３６ 第１ｐ側電極（一対の第１出力電極の一方）
４０ 第１ｎ側電極（一対の第１出力電極の他方）
４０ 第２ｐ側電極（一対の第２出力電極の一方）
４２ 第２ｎ側電極（一対の第２出力電極の他方）
４４ 熱供給体
４６ 熱供給体の加熱面
４８ 絶縁材
５０、５２ 負荷機器
５４、６０ 第１電気回路
５６、６２ 第２電気回路
６０ 第１電気回路
６２ 第２ 電気回路
６４ 第１及び第２電気回路の共用導線
６６ 第１スイッチ
６８ 第２スイッチ
７０ 制御装置
７２ 電流検知部
７６、７８ 素子直列体
８０、９２ 素子間電極
８８、９０ 接合材を溜める凹部
１００ 熱電発電装置
２００ 熱電発電装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】