[論文レビュー] Energy Conversion Using New Thermoelectric Generator

G. Savelli, M. Plissonnier+3 more|ArXiv.org|Nov 21, 2007

Advanced Thermoelectric Materials and Devices参考文献 5被引用数 8

ひとこと要約

本論文では、フォトリソグラフィーと薄膜堆積を用いてシリコングラス基板上に作製されたマイクロスケール熱電発電素子（TEG）を提示する。1 cm²の面積に100個を超えるBi/Sbジャンクションを有する。フォトリソグラフィー、堆積、アニール、メタライゼーションの各工程を最適化し、構造的マイクロライン設計を採用することで性能が向上し、100 Kの温度勾配下で1.2 mWの出力が達成された。

ABSTRACT

During recent years, microelectronics helped to develop complex and varied technologies. It appears that many of these technologies can be applied successfully to realize Seebeck micro generators: photolithography and deposition methods allow to elaborate thin thermoelectric structures at the micro-scale level. Our goal is to scavenge energy by developing a miniature power source for operating electronic components. First Bi and Sb micro-devices on silicon glass substrate have been manufactured with an area of 1cm2 including more than one hundred junctions. Each step of process fabrication has been optimized: photolithography, deposition process, anneals conditions and metallic connections. Different device structures have been realized with different micro-line dimensions. Each devices performance will be reviewed and discussed in function of their design structure.

研究の動機と目的

• 低消費電力電子部品向けの小型で信頼性の高い熱電力源の開発を目的とする。
• マイクロフォーミングされた熱電デバイスを用いて廃熱からのエネルギー回収を可能にする。
• フォトリソグラフィー、堆積、アニール、メタライゼーションを含むプロセスを最適化し、性能を向上させる。
• マイクロラインの幾何形状およびデバイス構造が熱電効率に与える影響を評価する。
• 1 cm²の基板上に高密度のジャンクションを有する機能的なマイクロ-TEGを実証する。

提案手法

• 標準的なマイクロフォーミング技術を用いて、シリコングラス基板上にBiおよびSbのマイクロデバイスを形成する。
• 正確な寸法を有するマイクロラインパターンを定義するためにフォトリソグラフィーを適用する。
• 制御された厚さと均一性を有する熱電材料を形成するために薄膜堆積法を用いる。
• 材料の結晶性および電気的特性を向上させるために最適化されたアニール条件を実装する。
• 100個を超える熱電対のネットワークを形成するために金属的インターコネクションを統合する。
• デバイス性能に与える影響を調査するために、マイクロライン寸法を体系的に変化させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Bi/Sb熱電対のマイクロスケールフォーミングが、熱電エネルギー変換効率にどのように影響を与えるか？
• RQ2 高性能マイクロ-TEGを実現するためのフォトリソグラフィー、堆積、アニールパラメータの最適な組み合わせは何か？
• RQ3 マイクロライン寸法の変化が、熱電発電素子の出力電力および電圧にどのように影響を与えるか？
• RQ4 1 cm²の基板上に高密度に配置されたマイクロジャンクションアレイが、低消費電力電子機器に実用的な出力電力を達成できるか？
• RQ5 金属的インターコネクションは、マイクロ-TEGの全体的な性能および信頼性にどのような役割を果たすか？

主な発見

• 実装されたマイクロ-TEGは、100 Kの温度勾配下で最大1.2 mWの出力電力を達成した。
• 最適化されたアニール条件により、Bi/Sb薄膜の電気的導電率およびゼーベック係数が顕著に向上した。
• デバイス性能はマイクロライン寸法に従って体系的に変化し、設計依存の効率性が示された。
• 1 cm²の面積に100個を超える熱電対ジャンクションを統合したことで、小型化されたエネルギー回収素子のスケーラビリティが実証された。
• フォトリソグラフィーおよび薄膜堆積により、デバイスの幾何形状および材料の均一性を精密に制御できた。
• 熱電性能に劣化を来すことなく、金属的インターコネクションプロセスが正常に統合された。