熱電材料とは何か？発電・冷却の原理と種類、性能指標ZT、実用例を解説
日本のエネルギー供給過程では、一次エネルギーの約6割が有効利用されず、未利用熱として排出されているといわれています[1]。工場や自動車、電子機器などから発生するこうした熱の有効活用は、カーボンニュートラルの実現に向けた重要な課題の一つです。
この未利用熱を電力として活用する技術の一つとして注目されているのが、「熱電材料」（熱電変換材料）です。熱電材料とは、熱エネルギーを直接電気エネルギーに変換したり、電気エネルギーを利用して冷却・加熱したりできる機能性材料です。
本記事では、熱電変換技術の基礎から、従来の無機材料と次世代の有機材料の違い、性能指標である「ZT」と材料開発上のトレードオフ、近年の研究成果までを体系的に解説します。
目次
１．熱電材料の基本原理と変換機構
熱電材料は、固体内のキャリア（電子または正孔）の拡散を利用して、熱と電気を相互に変換します。
主に以下の2つの現象が実用化の核となります。
【図1 熱電変換の模式図（ゼーベック効果・ペルチェ効果）】
- ゼーベック効果（発電）：
材料の両端に温度差が生じると、電子や正孔などのキャリアが拡散し、両端に電位差が生じる現象です。廃熱を直接電力に変える熱電発電の基本原理となります。 - ペルチェ効果（温度制御）：
材料に電流を流すことで、一方の接合部で吸熱し、もう一方の接合部で放熱する現象です。冷媒やコンプレッサーを必要とせず、精密かつ迅速な温度制御が可能なため、電子機器や分析装置などの局所冷却に利用されています。
熱電変換技術の大きな利点は、熱電素子自体にモーターやタービンのような機械的な可動部がない点です。そのため、静音性に優れ、小型化しやすく、高い信頼性が期待できます。これらの特性から、古くから宇宙探査機の電源や理化学機器の局所冷却に利用されてきました [2]。
近年ではIoTの普及に伴い、体温や環境熱から微小な電力を得るエネルギーハーベスティング技術として、電池交換の頻度を抑えられる自立型電源への応用が期待されています。
２．無機熱電材料と有機熱電材料
熱電材料には、無機半導体、有機材料、炭素系材料、およびそれらを組み合わせた複合材料があります。
本章では、代表的な無機熱電材料と有機熱電材料を比較するとともに、有機熱電材料と関連の深い炭素系材料についても取り上げます。
【表1 無機熱電材料と有機熱電材料の比較】
| 項目 | 無機熱電材料 | 有機熱電材料 |
| 代表的材料 | Bi₂Te₃系、PbTe系、SiGe系、スクッテルダイト系、ハーフホイスラー系 | PEDOT:PSS、PANI、CNT、フラーレン系材料など |
| メリット | 高いZTを示す材料が多い、使用温度域に応じた材料系が確立されている、実用実績がある | 軽量、柔軟性、印刷適性、機能設計の自由度 |
| 課題 | 脆性（割れやすい）、希少・毒性元素、高コスト | 無機材料と比べてZTが低い材料が多く、耐熱性・大気安定性やn型材料の性能に課題がある[3][4] |
| 製造プロセス | 高温プロセス、真空プロセス、焼結・切削加工 | 印刷プロセス、ロール・ツー・ロール、大面積加工 |
| 主な用途 | ペルチェ冷却、宇宙探査機、車載排熱回収 | ウェアラブル、電子皮膚、自己修復型センサー、スマート衣料 |
有機熱電材料は軽量で、材料やデバイスの設計によって柔軟性や伸縮性を付与しやすいという強みを持ちます
代表的なPEDOT:PSSでは、DMSO（ジメチルスルホキシド）やエチレングリコールなどを添加・処理に用いることで、PEDOT鎖のコンフォメーションや配列、PEDOTとPSSの相分離状態が変化し、電気伝導率が向上することが知られています。
また、MOFやCOFのようなナノ細孔構造を持つ材料では、分子レベルの構造設計によって熱伝導を抑制するアプローチも研究されています。
一方で、特にn型有機材料における空気中での酸化安定性の確保が、実用化に向けた大きなハードルとなっています [3][4]。
３．性能評価指標「ZT」と開発のトレードオフ
熱電材料の性能は、ゼーベック係数、電気伝導率、熱伝導率によって決まります。
一般に、材料の熱電変換性能を評価する「無次元性能指数zT」（本記事では以下「ZT」と表記）は、次の式で表されます。
ここで、Sはゼーベック係数、σは電気伝導率、κは熱伝導率、Tは絶対温度を示します。ZTを向上させるには、高いSとσ、そして低いκを同時に実現する必要があります。
しかし、これらのパラメータには複雑な物理的トレードオフが存在します。図2に示すように、電気伝導率が高くなると電子による熱伝導も増加する傾向があります。金属や縮退半導体では、この関係はウィーデマン・フランツ則によって表されます。また、キャリア濃度の増加は、一般にゼーベック係数の低下を招きます。
その中で、有機熱電材料には熱伝導率が低い材料が多く、さらに柔軟性や伸縮性を付与しやすいことから、ウェアラブル電子機器、IoTセンサー、電子皮膚、生体貼付型デバイス、スマート衣料、フレキシブルセンサーなどへの応用が期待されています。
【図2 熱電パラメータと相互制約】
また、有機材料は分子設計の自由度が高く、ドーピング制御、分子配向制御、ナノ構造形成、ブレンド設計、界面制御などによって熱電特性を細かく調整できるという特徴を持っています。特に近年では、単なる「高性能化」だけではなく、透明性、自己修復性、生体適合性、超伸縮性など、新しい機能を付与した次世代有機熱電材料の研究も急速に進展しており、従来の無機熱電材料では実現が難しかった新しい応用領域の開拓が期待されています。
４．熱電材料の実用化状況と応用事例
（1）無機熱電材料の実用化・実証事例
- 精密冷却モジュール（ペルチェ素子）：
Bi₂Te₃系材料を用いたペルチェ素子は、光通信用レーザーダイオードの温度安定化、電子機器の冷却、医療用PCR装置の温度制御など、幅広い分野で実用化されています。 - 宇宙用放射性同位体熱電気転換器（RTG、一般に「原子力電池」とも呼ばれる）：
放射性同位体の崩壊によって生じる熱を、熱電材料によって電力に変換する装置です。SiGe系材料を用いたRTGは、ボイジャーやカッシーニなどの深宇宙探査機に搭載され、太陽光を利用しにくい環境で長期電源として使用されてきました[2]。 - 産業廃熱回収：
工場の煙道や自動車の排気系などに熱電発電モジュールを設置し、廃熱を電力として回収するシステムの研究開発や実証試験が進められています。
【図3 無機熱電材料の例】
（2）有機系熱電材料の応用開発
- フレキシブル熱電デバイス：
インクジェット印刷やロール・ツー・ロール製法により、大面積のフィルム型素子を効率的に製造する技術が研究されています。曲面に追従しやすいため、ウェアラブル機器などへの応用が期待されています。 - スマート衣料：
電子テキスタイルに熱電素子を組み込み、体温と外気の温度差から得た微小な電力を、低消費電力センサーや蓄電デバイスに利用する研究が進められています。
【図4 有機熱電材料の例】
５．近年の研究動向
近年はZTの向上に加えて、柔軟性、伸縮性、大気安定性など、実際の使用環境を想定した特性を持つ熱電材料の研究も進んでいます。
- 2024年（九州大学）：
CuPc（銅フタロシアニン）とF₁₆CuPcからなる有機電荷移動界面を利用し、温度勾配のない室温環境で、熱エネルギーを電荷の生成・移動に利用する新しい発電機構を報告しました[5]。従来のゼーベック効果とは異なる原理によって、低温の環境熱を利用できる可能性を示した研究です。 - 2025年（Nature報告）：
中国科学院等により、最大150％のひずみから回復できるn型熱電エラストマーが報告されました。高分子ネットワーク、ナノ相分離、架橋およびドーピングを組み合わせることで、伸縮性と熱電特性を両立しており、電子皮膚やウェアラブルデバイスへの応用が期待されています[6]。 - 2026年（名古屋大学）：
フラーレンC₆₀と（MoO₃）nナノクラスターからなる複合材料を用い、有機熱電材料として世界最高となるZT＝0.81の推定値が得られました。低電気伝導率領域で大きなゼーベック係数を維持しながら、電気伝導率の増加に伴う熱伝導率の上昇を抑えたことが、高いZTの推定値につながっています[7]。室温付近で用いられる代表的な無機熱電材料であるBi₂Te₃系材料のZTが1前後であることを考えると、ZT＝0.81は、有機熱電材料として非常に高い値です。
６．今後の展望
有機熱電材料の研究は近年急速に進展しており、無機材料の代替候補としてだけでなく、柔軟性や伸縮性、生体適合性を備えたエネルギーデバイス材料としても注目されています。今後は、ウェアラブル電子機器、IoTセンサー、電子皮膚、スマート衣料、医療モニタリング、ソフトロボティクスなどとの融合がさらに進むと考えられます。
また、機械学習や材料データを活用した材料探索（マテリアルズインフォマティクス）や、印刷型デバイス製造、ナノ界面制御などの技術発展によって、有機熱電材料の性能向上と実用化の加速が期待されています。さらに今後は、単なる熱電変換性能だけではなく、リサイクル性、製造・廃棄時の環境負荷、希少・有害元素の使用低減など、「持続可能性（サステナビリティ）」の観点も重要になります。用途によっては、バイオ由来材料や生分解性材料の活用も研究課題となります。
将来的には、「体温で駆動するウェアラブルセンサー」や「充電不要の電子機器」など、私たちの日常生活に自然に溶け込む自己駆動型電子デバイスの実現が期待されています。
（日本アイアール株式会社 特許調査部 J・C)
《引用・参考文献》
- [1] 国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）, 「未利用熱エネルギーの革新的活用技術研究開発」事業・プロジェクト概要
https://www.nedo.go.jp/activities/ZZJP_100097.html - [2] NASA Jet Propulsion Laboratory (JPL), “Spacecraft ‘Nuclear Batteries’ Could Get a Boost from New Materials,” JPL Science & Technology News, 2016.
https://www.jpl.nasa.gov/news/spacecraft-nuclear-batteries-could-get-a-boost-from-new-materials/ - [3] Russ, B., Glaudell, A., Urban, J. J., and Segalman, R. A., “Organic thermoelectric materials for energy harvesting and temperature control,” Nature Reviews Materials, Vol. 1, Article No. 16050, 2016.
https://www.nature.com/articles/natrevmats201650 - [4] J. Wang, L. Liu, F. Wu, Z. Liu, Z. Fan, L. Chen, Y. Chen, “Recent Developments of n-Type Organic Thermoelectric Materials: Influence of Structure Modification on Molecule Arrangement and Solution Processing,” ChemSusChem, Vol. 15, e202102420, 2022.
https://chemistry-europe.onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/cssc.202102420 - [5] Kondo, S., Kameyama, M., Imaoka, K., et al., “Organic thermoelectric device utilizing charge transfer interface as the charge generation by harvesting thermal energy,” Nature Communications, Vol. 15, Article No. 8115, 2024.
https://www.nature.com/articles/s41467-024-52047-5 - [6] Liu, K., Wang, J., Pan, X., et al., “n-Type thermoelectric elastomers,” Nature, Vol. 644, pp. 920–926, 2025.
https://www.nature.com/articles/s41586-025-09387-z - [7] 名古屋大学未来材料・システム研究所, 「体温から電気を取り出す、世界最高性能の有機熱電材料を実現―充電不要な人体装着型センサー用電源素子の普及へ前進―」, プレスリリース, 2026年4月7日.
https://www.imass.nagoya-u.ac.jp/research/20260407_ogawa.html
