熱電変換素子を使った発電の原理

 熱電変換材料にはP型とN型の半導体があります。N型半導体は電子が、P型半導体は正孔が熱エネルギーによって流れて発電します。その発電の仕組みを熱電半導体のエネルギー準位を使って説明します。下図は熱発電モジュールの基本構造を表すスケッチ図とそのエネルギー準位の概念図です。熱発電モジュールはこれらのモジュールが直列にたくさん接合されています。
 最初にN型半導体の方から説明します。右側の図の左側の金属は加熱されており、そのため伝導帯の電子は熱エネルギーを得てN型半導体の伝導帯に飛び上がります。N型半導体では両端に温度差があるため温度勾配ができており電子の密度にも勾配が生じています。このため電子密度の勾配と電位勾配ができ、それに起因して電子がコールドサイドへ流れます。そして電子はコールドサイドの金属の伝導帯に落ちて熱を放出します。次にP型の半導体について説明します。P型半導体のホットサイドでは電子が放出されて正孔が生産されます。放出された電子は熱エネルギーを得て金属の伝導帯に飛び上がります。P型半導体においても両端に温度差があるためその温度勾配にあった正孔の密度勾配が生じます。そしてN型と同様に電位勾配が生じます。これらの正孔の密度勾配と電位勾配によって正孔がホットサイドからコールドサイドへと流れます。P型半導体のコールドサイドではN型半導体から金属を通って流れてきた電子がP型半導体の正孔におちて正孔が消滅します。この時電子は熱エネルギーを放出します。熱的に見てみますとホットサイドで熱エネルギーを貰った電子がコールドサイドで放出することになります。そしてその結果発電することになるわけですから熱から直接発電することになります。