发电装置以及发电模块的制作方法

本发明涉及发电装置以及发电模块，特别是涉及将动能以及光能变换成电力的发电装置以及具备这种发电装置的发电模块。

背景技术：

以往，已知能够将从周边环境获得的多种能量变换成电能的发电装置。在这些发电装置中，已知有即使在任意能量源的供给中断了的情况下也能够通过多种能量中的任意能量来进行蓄电的发电装置(例如，参照专利文献1～2)。

此外，报告了如下技术：为了改善光电变换元件的特性，将具有正或者负的表面电荷的驻极体层配置于电极周边部或侧面，从而增强光电变换元件的pn结部分的内置电场，使耗尽层扩展(例如，参照专利文献3)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2012-210076号公报

专利文献2：日本特开2009-291020号公报

专利文献3：日本特开2016-86117号公报

技术实现要素：

然而，在专利文献1～2的记载中，为了装备多个发电装置，需要将各个发电装置单独地设置并连接于控制电路，因此存在发电模块变大型化的问题。

此外，在光电变换元件中，在专利文献3的记载中，存在得不到使复合速度远比pn结内部快的表面复合速度降低的程度的带构造的变化的问题。

本发明是为了解决上述那样的课题而作出的，本发明的目的在于提供一种发电装置以及具备这种发电装置的发电模块，该发电装置能够将多种能量源作为输入能量利用，并且能够抑制尺寸变大。

本发明的发电装置具备：光电变换部，具有光电变换膜；驻极体发电部，具有保持电荷的驻极体层，由透光性的材料构成；以及绝缘层，覆盖光电变换膜的表面，且透射在光电变换膜中能够利用的所有波段或所有波段的一部分波段的光。驻极体层层叠于绝缘层上。

发明效果

在本发明的发电装置中，由于使驻极体层和光电变换膜层叠，因此能够抑制发电装置的尺寸变大。此外，由于本发明的发电装置具备光电变换部和驻极体发电部，因此能够利用振动能量和光能。

附图说明

图1是实施方式1的发电装置的剖视图。

图2是对光电变换膜的表面的界面固定电荷的效果进行说明的图。

图3是表示界面固定电荷与界面复合速度的关系的图。

图4是表示界面复合速度与光电变换部的开路电压的关系的图。

图5是表示界面复合速度与短路电流密度的关系的图。

图6是示出由晶体硅构成的光电变换膜的内部量子效率的例子的图。

图7是示出膜厚200μm的非晶型氟化树脂的透射率的图。

图8是示出在室内照明中常用的荧光灯和白色led光所包含的光的光谱分布的图。

图9是在第一透明电极的形成后从上方观察的发电装置的图。

图10是在实施方式1中从上方观察的透光性可动基板的图。

图11是在实施方式1中从下方观察的透光性可动基板的图。

图12是示出实施方式2的发电模块的结构的电路图。

图13是示出实施方式3的发电模块的结构的电路图。

图14是实施方式4的发电装置的剖视图。

图15是在实施方式4中从下方观察的透光性可动基板的图。

图16是用于对实施方式4中的驻极体层的大小以及配置进行说明的图。

图17是对实施方式4的驻极体发电部的发电动作进行说明的图。

图18是示出实施方式5的发电模块的结构的电路图。

(附图标记说明)

1、401：发电装置；2：光电变换部；3、403：驻极体发电部；10、409：光电变换膜；11：电极；12、404：绝缘层；13、14、15：电力外部取出部分；100：固定部件；101：支承件；200、410：驻极体层；201：第一透明电极；202：第二透明电极；203：透光性可动基板；204：弹簧件；310a、310b、320a、320b：输出端子；330：整流元件；331、332：dc/dc转换器；334：蓄电元件；335a、335b：防逆流二极管；350、450、550：发电模块；swa、swb：旁路开关；391：电路控制器；552、553：电压测量部。

具体实施方式

接下来，参照附图对本发明的实施方式进行说明。

实施方式1.

图1是实施方式1的发电装置1的剖视图。

如图1所示，发电装置1具备固定部件100、弹簧件204、支承件101、光电变换部2、驻极体发电部3和绝缘层12。

光电变换部2具备光电变换膜10和电极11。光电变换部2是背接触方式的太阳能电池。

驻极体发电部3具备驻极体层200、第一透明电极201、第二透明电极202和透光性可动基板203。驻极体发电部3是静电感应型发电元件。

电极11配置于固定部件100上。光电变换膜10以与接受太阳光等光的面(表面)相反侧的面来和电极11接触。光电变换膜10的表面被绝缘层12覆盖。绝缘层12透射在光电变换膜10中能够利用的所有波段或所有波段的一部分波段的光。绝缘层12由氧化硅、氧化铝、氮化硅或它们的层叠膜形成。在绝缘层12的最表面形成有驻极体层200。

第一透明电极201配置于驻极体层200上。第二透明电极202设置于透光性可动基板203上。以第二透明电极202隔开空间而与第一透明电极201对置的方式来配置透光性可动基板203。透光性可动基板203经由两侧的弹簧件204连接于支承件101。支承件101以第一透明电极201与第二透明电极202不接触的方式支承透光性可动基板203。

驻极体层200例如包括聚碳酸酯、聚丙烯、聚四氟乙烯或非晶型氟化树脂等有机类绝缘材料或者二氧化硅等无机类绝缘材料。由于这些材料具有透光性，因此即使被设置在了光电变换部2的入射光侧，也不会降低光电变换部2的输出。驻极体层200通过电晕充放电等对前述材料充入正或负的电荷，从而能够在层内部持续保持电荷。

弹簧件204例如包括聚碳酸酯、聚丙烯、聚四氟乙烯或非晶型氟化树脂等有机类绝缘材料。作为该弹簧件204的材料，优选由具有透光性且具有作为交联结构也能够自立的强度的材料构成。

图2是对光电变换膜10的表面的界面固定电荷的效果进行说明的图。

在此，作为例子，对针对p型晶体硅的光电变换膜409形成有二氧化硅、氧化铝或氮化硅等的绝缘层404，并在绝缘层404之上形成有具有负的固定电荷的驻极体层410的情况进行说明。

在光电变换膜409的界面存在许多界面复合能级403。当在光电变换膜409存在很多电子402或空穴时，经由界面复合能级403复合，而使开路电压或短路电流下降。通过式(1)来表示此时的复合速度s。在此，n_s、p_s是界面中的电子以及空穴密度，n_1、p_1是某一能量位置处的电子或空穴密度，n_i是本征载流子密度，ν_th是载流子的热速度，d_it是面缺陷密度，e_t是能量位置，σ_s、σ_s是电子以及空穴的俘获截面面积。

[数学式1]

根据式(1)可知，为了减小复合速度s，需要减小面缺陷密度d_it或减小所存在的少数载流子浓度n_s、p_s。

如图2所示，在光电变换膜409的表面近旁存在驻极体层410的固定电荷400，从而产生电场，光电变换膜409的端部的带构造401被弯曲。其结果，通过带构造401的弯曲将在光电变换膜409的端部存在的电子推压回光电变换膜409的内部。由此，能够降低界面复合速度。

图3是表示界面固定电荷与界面复合速度的关系的图。如图3所示，可知当界面固定电荷密度超过1.0×10¹¹cm^-2时，界面复合速度逐渐减少。

在专利文献3中，报告了通过在光电变换元件的电极周边部或侧面配置具有-0.2mc/m²～-2.1mc/m²范围的表面电荷密度的驻极体层来增强光电变换元件的pn结部分的内置电场并扩展耗尽层的技术，但以界面固定电荷密度而言为1.0×10⁹cm^-2左右，不足以如本实施方式那样使界面复合速度下降。

接下来，对减少界面复合速度的效果进行描述。

图4是表示界面复合速度与光电变换部2的开路电压的关系的图。图5是表示界面复合速度与短路电流密度的关系的图。在这些图中，为了便于理解，开路电压和短路电流密度的任意方都基于界面复合速度为1.0×10⁵cm/s时的值而被归一化。

可知开路电压以及短路电流密度的任意方都随着界面复合速度的减少而值逐渐增加。当界面复合速度变为1×10²cm/s以下时，不再能观察到短路电流密度的改善。根据这些结果，驻极体层200的界面固定电荷密度优选在1.0×10¹¹cm^-2以上。

接下来，对通过将驻极体层200设置在光电变换部2的上方而产生的光学上的影响进行描述。

图6是示出由晶体硅构成的光电变换膜的内部量子效率的例子的图。内部量子效率从波长300nm起升高，在波长600nm附近达到最大值。当过了波长1000nm时，内部利用效率降低。

图7是示出膜厚200μm的非晶型氟化树脂的透射率的图。在波长300nm以上，透射率维持在90％以上。特别是在光电变换膜的利用效率高的波长600nm以后的区域，有95％以上的透射率。

图8是示出在室内照明中常用的荧光灯和白色led(lightemittingdiode，发光二极管)光所包含的光的光谱分布的图。任意方的照明都以波长400nm～700nm的光为主，能够充分通过非晶型氟化树脂。用100nm～200μm左右的膜厚来构成驻极体层200，从而能够进一步使光透射。

再次参照图1，在驻极体层200之上形成有第一透明电极201。能够通过蒸镀或溅射等而使氧化锌、氧化锡、氧化铟或氧化镓等透光性的金属氧化物成膜，并进行图案化，来形成第一透明电极201。或者，也能够通过使用金属掩模等在制膜时设为期望的形状来形成第一透明电极201。

图9是在第一透明电极201的形成后从上方观察的发电装置1的图。

如图9所示，能够将第一透明电极201设为梳型形状。在该情况下，第一透明电极201从驻极体层200上经过绝缘层12形成至支承件101。在第一透明电极201的一端形成外部取出部分14。

在图9中，电极11的阴极、阳极均向单侧延伸。在电极11的一端形成有电极11用的外部取出部分13。电极11的形状以及电极11用的外部取出部分13的配置并不限于实施方式1所记载的构造。例如，可以在光电变换膜10的两侧形成外部取出部分13，也可以在其他部位形成外部取出部分13。

图10是在实施方式1中从上方观察的透光性可动基板203的图。

如图10所示，以与第一透明电极201对置的方式来配置透光性可动基板203。透光性可动基板203通过弹簧件204连接于支承件101。对树脂或玻璃等透光性材料进行加工而制作透光性可动基板203以及弹簧件204。由于支承件101不需要是透光性的，因此能够使用树脂、玻璃或硅等。

在透光性可动基板203的与第一透明电极201对置的面，通过蒸镀或溅射等使氧化锌、氧化锡、氧化铟、氧化镓等透光性的金属氧化物成膜，并进行图案化，来形成第二透明电极202。或者，能够使用金属掩模等，在制膜时将第二透明电极202形成为期望的形状。

基于发电装置1的形状、驻极体层200的电荷密度、设想的振动频率以及振动方向等，适时地最佳地设计第二透明电极202的形状。

图11是在实施方式1中从下方观察的透光性可动基板203的图。

如图11所示，能够将第二透明电极202的形状设为相对于弹簧件204的振动方向x平行的梳型形状。在该情况下，第二透明电极202从透光性可动基板203经由弹簧件204形成至支承件101的端部。在支承件101的端部形成用于向外部取出电流的取出部分15。

通过式(2)来表示驻极体发电部3的输出。p示出输出，a示出第一透明电极201与第二透明电极202的重叠面积的变化量，σ示出驻极体层200的电荷密度，d_1示出第一透明电极201与第二透明电极202的间距，d_2示出驻极体层200的厚度，ε_0示出真空的介电常数，ε_1示出驻极体层200的相对介电常数，f示出振动频率，n示出第一透明电极201以及第二透明电极202重叠的数量。

[数学式2]

根据式2，为了使驻极体发电部3的输出增加，需要提高驻极体层200的电荷密度，增大第一透明电极201与第二透明电极202的重叠面积的变化量，或者减小第一透明电极201与第二透明电极202之间的距离。

在此，例如当将发电装置1的尺寸设为20mm×20mm，其中将光电变换膜10的元件面积设为18mm×18mm，将界面复合速度设为1×10⁵cm/s，将发电效率设为15％，将室内光强度设为400lux时，通过光电变换部2获得的电力为28.4μw。

进一步，设定如下那样的条件。

在光电变换膜10的上部形成厚度20nm、界面固定电荷密度2.0×10¹²cm^-2的驻极体层200。将第一透明电极201以及第二透明电极202的长度设为16mm、宽度1mm。分别以1mm的间隔配置5个第一透明电极201以及第二透明电极202。将第一透明电极201与第二透明电极202之间的距离设为200μm。此外，将第一透明电极201与第二透明电极202的重叠面积设为0.5mm²。对透光性可动基板203赋予10hz的振动。

在该条件下，根据式(2)，从驻极体发电部3获得的最大电力为52.6μw。另一方面，向光电变换部2的光的入射量减少到95％，但利用驻极体层200的电荷，开路电压和短路电流分别提高3～4％，因此改善为29μw，当与驻极体发电部3的电力合并时，不使发电装置1的面积增加而能够获得61.9μw的输出。

如以上那样，根据本实施方式的发电装置，即使假设照明熄灭，不再有光的入射，也能够持续从驻极体发电部获得电力。相反地，即使振动停止，也能够从光电变换部获得电力。因此，本实施方式的发电装置能够进行稳定的电力供给。此外，由于层叠有所利用的环境能量源不同的元件，因此能够减小发电装置的尺寸。

实施方式2.

图12是示出实施方式2的发电模块350的结构的电路图。

发电模块350具备发电装置1、第一输出端子310a、310b、第二输出端子320a、320b、第一dc/dc转换器331、整流元件330、第二dc/dc转换器332和蓄电元件334。

通过第一输出端子310a、310b和第二输出端子320a、320b取出由发电装置1生成的电力。

第一输出端子310a、310b输出由发电装置1所包含的光电变换部2生成的直流电压。

第一dc/dc转换器331将从第一输出端子310a、310b输出的直流电压变换成其他的直流电压，并将变换后的电压输出到蓄电元件334。

第二输出端子320a、320b输出由发电装置1所包含的驻极体发电部3生成的交流电压。整流元件330对从第二输出端子320a、320b输出的交流电压进行整流。

第二dc/dc转换器332将从整流元件330输出的直流电压变换成其他的直流电压，并将变换后的电压发送到蓄电元件334。

蓄电元件334可以是铅蓄电池或锂离子电池等二次电池，也可以是双电层电容那样的电容器。在使用二次电池作为蓄电元件334的情况下，由于通过化学反应来储存电能，因此具有能够实现能量密度高而小型化并且还延长电荷的保持时间段的优点，但存在由于反复进行充放电而发生劣化的问题。另一方面，在使用电容器作为蓄电元件334的情况下，由于通过离子分子蓄积电荷，因此具有劣化少的优点，但存在能量密度变小并且也变得容易自放电的问题。最好考虑能量消耗量或者环境能量源的发生量、持续性来选择蓄电元件334。

通过设为这样的结构，即使在来自发电装置1内的光电变换部2和驻极体发电部3这双方的电力供给中断的情况下，利用蓄积在蓄电元件334的电力，也能够向传感器、通信设备或ic等需要电力的设备进行稳定的电力供给。

实施方式3.

图13是示出实施方式3的发电模块450的结构的电路图。

实施方式3的发电模块450与实施方式2的发电模块350的不同点如下。

实施方式3的发电模块450具备防逆流二极管335a、335b。

以会变动的周边的环境能量为能量源的发电装置1伴随其环境能量的变动而输出特性会大幅变动。因此，输入到蓄电元件334的电压也并非始终为恒定。在这样的情况下，有时会发生电流从驻极体发电部3的电路向光电变换部2的电路的逆流或电流从光电变换部2的电路向驻极体发电部3的电路的逆流。在发生了电流的逆流的情况下，会发生发电装置的破坏或异常动作等。

在本实施方式中，在从驻极体发电部3至蓄电元件334的路径的中途设置第二防逆流二极管335a，在从光电变换部2至蓄电元件334的路径的中途设置第一防逆流二极管335b。由此，能够阻止电流的逆流，防止发电模块的故障。

实施方式4.

图14是实施方式4的发电装置401的剖视图。

实施方式4的发电装置401与实施方式1的发电装置1的不同点在于实施方式4的发电装置401具备与实施方式1的驻极体发电部3不同的驻极体发电部403。

与实施方式1的驻极体发电部3同样，驻极体发电部403具备驻极体层200、第一透明电极201、第二透明电极202和透光性可动基板203。

在实施方式4中，也与实施方式1同样，以使透光性可动基板203与驻极体层200隔开空间而对置的方式来配置。在实施方式4中，在透光性可动基板203上形成第一透明电极201和第二透明电极202。

图15是在实施方式4中从下方观察的透光性可动基板203的图。

如图15所示，透光性可动基板203通过弹簧件204连接于支承件101。

第一透明电极201从透光性可动基板203经由弹簧件204形成至支承件101的端部。在支承件101的端部形成用于向外部取出电流的取出部分14。

第二透明电极202从透光性可动基板203经由弹簧件204形成至支承件101的端部。在支承件101的端部形成用于向外部取出电流的取出部分15。

图16是用于对实施方式4中的驻极体层200的大小以及配置进行说明的图。

在透光性可动基板203的振动中，在第一透明电极201和第二透明电极202的整个表面始终与驻极体层重叠的情况下，不发生电荷的移动而无法发电。因此，以在透光性可动基板203的振动中的某时间段，第一透明电极201和第二透明电极202的整个表面的一部分与驻极体层200不重叠的方式调整驻极体层200的大小以及配置。

具体地，如图16(a)所示，以使透光性可动基板203振动时的、第一透明电极201移动到最左边时的位置与第二透明电极202移动到最右边时的位置之间的距离(也称为振动宽度w)大于驻极体层200的宽度d的方式，调整驻极体层200的大小以及配置。

另一方面，如图16(b)所示，在振动宽度w小于驻极体层200的宽度d的情况下，不发生电荷的移动而无法发电。因此，不能这样调整驻极体层200。

图17是对实施方式4的驻极体发电部403的发电动作进行说明的图。

如图17(a)所示，在第一透明电极201和第二透明电极202这双方与驻极体层200重叠的情况下，在第一透明电极201和第二透明电极202感应出相等的正电荷410。

如图17(b)所示，在透光性可动基板203被施加振动，第一透明电极201的一部分与驻极体层200不重叠的情况下，在第一透明电极201的一部分已感应出的正电荷410通过外部负载向第二透明电极202移动。由此，能够取出电力。

在本实施方式中，由于能够在透光性可动基板203同时形成第一透明电极201和第二透明电极202，因此能够简化制造工艺。

实施方式5.

图18是示出实施方式5的发电模块550的结构的电路图。

实施方式5的发电模块550与实施方式2的发电模块350的不同点如下。

不同点是实施方式3的发电模块550具备电路控制器391、旁路开关swa、swb和电压测量部552、553。

电压测量部552测量第一dc/dc转换器331的输入端子之间的电压v1。电压v1表示发电装置1内的光电变换部2的输出电压。电压测量部553测量第一dc/dc转换器331的输出端子之间的电压v2。电压v2表示蓄电元件334的两端电压。

电路控制器391基于由电压测量部552测量出的电压v1和由电压测量部553测量出的电压v2来控制旁路开关swa、swb。

旁路开关swa将第一dc/dc转换器331的输入端子与输出端子连接或断开连接。旁路开关swb将第一dc/dc转换器331的输入端子与输出端子连接或断开连接。

通过以下的式(3)来表示蓄积在蓄电元件334的电力w，因此蓄电元件334的两端电压v2在充电期间逐渐上升。在此，c是蓄电元件334的静电容量。

[数学式3]

因此，在电力未存积在蓄电元件334的情况下，或在较少的情况下，蓄电元件334的两端电压v2为低的值。

即使为最优升压比，第一dc/dc转换器331的变换效率也在90％左右，并且通常升压比越高则变换效率越降低。因此，如果是光电变换部2的输出电压比蓄电元件334的电压足够高，直接连接也会对蓄电元件334充电的状况，则由于在不经由第一dc/dc转换器331的情况下不会发生第一dc/dc转换器331中的电力消耗，因此能够高效地蓄积电力。因此，电路控制器391在电压v2低于电压v1的情况下使旁路开关swa、swb接通，不经由第一dc/dc转换器331而直接将发电装置1内的光电变换部2的输出供给到蓄电元件334。

电路控制器391能够包括具有模拟输入的微型计算机或比较器等电压比较电路。考虑到电力消耗(切换时的消耗电力、通电时元件中的消耗电力)，旁路开关swa、swb优选为mosfet(metaloxidesemiconductorfieldeffecttransistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)那样的半导体开关。

另一方面，通过驻极体发电部3生成与光电变换部2(太阳能发电元件)的输出电压相比而比较高(20v～30v)的电压。因此，优选在将驻极体发电部3连接于蓄电元件334之前，将驻极体发电部3的输出连接于降压型的第二dc/dc转换器332，调整成能够输入到作为外部负载的传感器类或微型计算机的电压(3v～5v)。

利用以上的结构，在从电力未被充电到蓄电元件334的初始状态使用由发电装置1生成的电力向蓄电元件334充电的情况下，在蓄电元件334的两端电压低于输出低电压的光电变换部2的输出电压时，不经由第一dc/dc转换器331而利用光电变换部2直接对蓄电元件334进行充电，从而能够将生成的电力全部充电。这之后，充电到蓄电元件334的电力增加，在蓄电元件334的两端电压变得高于光电变换部2的输出电压的情况下，利用第一dc/dc转换器331将光电变换部2的输出电压升压，从而能够持续进行充电。通过以上那样的控制，发电模块550能够高效地供给电力。

(变形例)

本发明不限于上述实施方式，例如也包含以下那样的变形例。

(1)光电变换膜10不限于p型晶体硅。例如，能够利用n型晶体硅、多晶硅、非晶硅、化合物或有机类的光电变换膜10。

光电变换膜10不限于背面接触型。光电变换膜10即使在受光面侧存在电极，也会在受光面侧的梳型电极、线状电极的间隙的受光部分的发电层产生同样的效果。因此，光电变换膜10也可以是perc(passivatedemitterrearcontact，钝化发射极背面接触)型、perl(passivatedemitterrearlocalized，钝化发射极背面局部)型、异质结型或双面受光型。

应当认为，本次公开的实施方式在所有方面仅是例示，而并非限制性的。本发明的范围不由上述的说明示出，而是由权利要求书示出，旨在包含与权利要求书等同的含义及其范围内的所有变更。