図1　NEDO・�噞�\術総合研�|所・アイシン�@機・茨城�j(lu┛)学が開発した�X電モジュール（�屬�2端子素子）

�X電変換素子は、半導��と�瑤董�pn接合の電極間に�a(b┳)度差があると��電��を発�擇垢襯妊丱ぅ垢任△襦�これまではBiやTeなどの稀金�錣鮹�いることが�Hく、最�ZではSiGeも�Hかった。稀金�錣脇�本では�攵�が少ないため、���E的に�W(w┌ng)��されるケースがあり供給リスクを伴っていた。しかもTeには毒性がある。しかし鉄やアルミはどこにでもあり、シリコンは砂やガラスから作られる。いわば供給不?sh┤)Wの��くない材料である。

�X電変換素子は、pn接合の接合�Cに��(k┫)直に二つの向かい合わせに電極を配��した構�]で、pn接合に電流を流すと、片��(sh┫)の電極が�a(b┳)まり、もう�k��(sh┫)の電極が冷える。この作��を�W(w┌ng)��して冷却素子として使う場合はペルチェ素子と�}び、逆に両電極の�a(b┳)度差を�W(w┌ng)��して発電すればゼーベック素子と�}ぶ。ただし、発電といっても、mV〜数��mVしか出��しないため、��(j━ng)圧させる��要がある。今�vの素子は、�a(b┳)度差5度で約6mV��度、電��にして85µWを発�擇気擦襪海箸�できる。別の表現をすれば、ΔT=5Kで、100µW/cm2の出��が�u(p┴ng)られている。

この�a(b┳)度差を�u(p┴ng)るため工場での排�Xや、人��の���a(b┳)を基��として使う応��がある。例えば、工場のモータやポンプの排�Xを�W(w┌ng)��することで発電し、低消�J電��のIoTデバイスの電源として長期間動作させることができる。

ただし、実際の電子�v路を動かすためには、3.3Vないし5Vに�屬欧���要がある。このためには、ゼーベック素子を直�`および並�`に接��するか、DC-DCコンバータなどで��(j━ng)圧する��要がある。ゼーベック素子そのものはある��度コストが高いため、�H数接��するわけにはいかない。しかも、電圧を�W定化するためDC-DCコンバータは��ずいる。このため、コスト的な最適サイズを見つけて��(j━ng)圧する��(sh┫)が合理的であろう。

今�vは、材料科学（Materials informatics）の���Qを使って、AlとFeとSiの組成（ストイキオメトリ）を絞り込み、Al2Fe3Si3という配合を見つけた。もちろん材料科学だけではずばりの組成は見つけられないため、さまざまな組成の組み合わせを1�vのプロセスで実現できるコンビナトリアル�}法も��いた。材料の組成?d─ng)U御まで含めると開発に1�Q��度で済んだとしている。しかも微��な量の配合でp型にもn型にも�U(ku┛)御でき、ドナーやアクセプタの不純�颪鯏魂辰垢���要がないとしている。

この配合で機械的な硬さや剛性は、Si-Ge並みで、���┣柔�にも優れているという。実際に小さな��形のウェーハでダイシングしてもチップは割れなかったという。

図2　発電機の�屬砲�湯を入れたコップを載せ発電した　Bluetooth LEでセンサデータを送りタブレットにデータを表��(j┤)するデモを行った

ゼーベック素子を並べて1cm四��(sh┫)のモジュールを4個組み込んだ発電機に�}（���a(b┳)）を充てると、発電しBluetooth LE（Low Energy）通信によりタブレットやスマートフォンに�a(b┳)度と湿度のデータを表��(j┤)させるというデモを行った（図2）。

このチームにアイシン�@機が参加しているのは、光通信モジュールを冷却するのにペルチェ素子を?y┐n)��]してきた実績があるためで、今後IoTの電源����としても工場内の空調をもっと細かく�U(ku┛)御するためのセンサにも使っていきたいとしている。