日本のJ-StageがMg2(Si,Sn)熱電発電モジュールでZT値1.2を報告：中間温度域で高効率化

2026年8月2日

J-Stage (J. Electron. Mater.) 日本

概要

J-Stageに掲載された研究では、スパークプラズマ焼結によって合成されたMg2(Si,Sn)固溶体熱電材料の温度依存性輸送特性が調査されました。n型およびp型サンプルは、中間温度範囲までパワーファクターの増加と格子熱伝導率の低下を示し、n型で約623～673 KでZT≈1.2、p型でZT≈0.5のピークZT値を達成しました。この成果は、中間温度域での廃熱回収や発電応用における高効率熱電材料の可能性を示しています。

詳細

主要成果：日本のJ-StageでMg2(Si,Sn)熱電材料がZT値1.2を達成、中間温度域で高効率化

J-Stageに掲載された研究報告によると、スパークプラズマ焼結（SPS）法を用いて合成されたMg2(Si,Sn)固溶体熱電材料の温度依存性輸送特性が詳細に調査されました。この研究は、n型サンプルが約623～673 K（約350～400 ℃）の中間温度範囲で、ピークZT値が約1.2に達するという画期的な結果を示しました。p型サンプルもZT値0.5を達成しており、これは中間温度域における廃熱回収や発電応用において、Mg2(Si,Sn)ベースの材料が極めて有望な選択肢であることを示唆しています。

技術・研究詳細

Mg2(Si,Sn)固溶体： Mg2SiとMg2Snの固溶体は、優れた熱電性能と豊富な構成元素、低コストという利点から、中間温度域（200～600 ℃）での熱電発電材料として注目されています。本研究では、この固溶体の組成と微細構造を最適化することで、性能向上を図りました。
スパークプラズマ焼結（SPS）： SPSは、粉末材料を短時間で高密度化できる先進的な焼結技術です。この方法を用いることで、結晶粒の微細化を抑制しつつ、高い相対密度を持つ焼結体を得ることが可能となり、熱電材料の性能最適化に貢献します。
温度依存性輸送特性： 研究チームは、材料の電気伝導率、ゼーベック係数、熱伝導率などの熱電特性を様々な温度で測定しました。その結果、n型およびp型サンプルともに、中間温度範囲においてパワーファクター（発電性能指数）が増加し、同時に格子熱伝導率が低下する傾向が確認されました。これは、熱電材料のZT値向上に不可欠な特性です。
高ZT値の達成： n型Mg2(Si,Sn)固溶体では、約623～673 KでピークZT値1.2を達成しました。ZT値1.0を超える材料は、商業的な熱電発電において非常に効率的とされ、実用化の可能性が高まります。p型でもZT値0.5は、低コスト材料としては優れた性能と言えます。

背景・業界文脈

産業活動から排出される大量の廃熱を有効活用することは、エネルギー効率の向上と温室効果ガス排出量の削減のために喫緊の課題です。特に、中間温度域の廃熱は非常に広範に存在しますが、その回収・利用技術はまだ十分に進んでいません。熱電発電は、廃熱を直接電力に変換できるクリーンな技術であり、自動車、産業プラント、家庭用機器など、様々な熱源からの電力回収に期待されています。Mg2(Si,Sn)のような安価で高性能な熱電材料の開発は、この分野のブレークスルーを促進します。

今後の展望

今回の研究成果は、Mg2(Si,Sn)系熱電材料が、中間温度域での廃熱回収用熱電発電モジュールとして非常に高いポテンシャルを持つことを明確に示しました。特にn型材料で達成されたZT値1.2は、この材料の実用化に向けた大きな一歩です。今後、材料の長期安定性、モジュール化技術の開発、そして製造コストのさらなる削減が課題となりますが、この技術が進展すれば、自動車の排熱発電、産業廃熱利用、民生機器の自己給電など、多岐にわたるアプリケーションでエネルギー効率の大幅な改善が期待されます。日本発のこの技術は、グローバルなエネルギーソリューションに貢献する可能性があります。

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