JP7249193B2 - 発電素子、発電モジュール、発電装置、発電システム、及び、発電素子の製造方法 - Google Patents

発電素子、発電モジュール、発電装置、発電システム、及び、発電素子の製造方法 Download PDF

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Description

本発明の実施形態は、発電素子、発電モジュール、発電装置、発電システム、及び、発電素子の製造方法に関する。
例えば、熱源からの熱に応じて発電する発電素子がある。発電素子において、効率を安定して向上することが望まれる。
特開２０１３－２２９９７１号公報
本発明の実施形態は、安定して効率を向上できる発電素子、発電モジュール、発電装置、発電システム、及び、発電素子の製造方法を提供する。
本発明の実施形態によれば、発電素子は、第１導電層、第２導電層、第１部材及び第２部材を含む。前記第１部材は、前記第１導電層と前記第２導電層との間に設けられる。前記第１部材は、第１結晶領域及び第１層領域を含む。前記第１結晶領域は、前記第１層領域と前記第１導電層との間にある。前記第１結晶領域の分極の負から正への向きは、前記第１導電層から前記第２導電層への第１向きの成分を有する。前記第１層領域は、前記第１向きと交差する第１面に沿って広がる第１層状部分を含む。前記第１層状部分は、グラフェン及び遷移金属ダイカルコゲナイドよりなる群から選択された少なくとも１つを含む。前記第２部材は、前記第１部材と前記第２導電層との間に設けられ前記第１部材から離れる。
図１は、第１実施形態に係る発電素子を例示する模式的断面図である。 図２は、第２実施形態に係る発電素子を例示する模式的断面図である。 図３は、第３実施形態に係る発電素子の製造方法を例示するフローチャート図である。 図４は、第３実施形態に係る発電素子の製造方法を例示するフローチャート図である。 図５（ａ）～図５（ｆ）は、第３実施形態に係る発電素子の製造方法を例示する断面図である。 図６は、第３実施形態に係る発電素子の製造方法を例示するフローチャート図である。 図７は、第３実施形態に係る発電素子の製造方法を例示するフローチャート図である。 図８は、第３実施形態に係る発電素子の製造方法を例示するフローチャート図である。 図９（ａ）～図９（ｅ）は、第３実施形態に係る発電素子の製造方法を例示する断面図である。 図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、第４実施形態に係る発電モジュール及び発電装置を示す模式図的断面図である。 図１１（ａ）及び図１１（ｂ）は、実施形態に係る発電装置及び発電システムを示す模式図である。
以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚さと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る発電素子を例示する模式的断面図である。
図１に示すように、第１実施形態に係る発電素子１１０は、第１導電層Ｅ１、第２導電層Ｅ２、第１部材１０Ｍ及び第２部材２０Ｍを含む。
第１部材１０Ｍは、第１導電層Ｅ１と第２導電層Ｅ２との間に設けられる。第２部材２０Ｍは、第１部材１０Ｍと第２導電層Ｅ２との間に設けられる。
第１導電層Ｅ１から第２導電層Ｅ２への方向をＺ軸方向とする。Ｚ軸方向に対して垂直な１つの方向をＸ軸方向とする。Ｚ軸方向及びＸ軸方向に対して垂直な方向をＹ軸方向とする。
１つの例において、第１導電層Ｅ１の少なくとも一部、及び、第２導電層Ｅ２の少なくとも一部は、Ｘ－Ｙ平面に対して実質的に平行である。１つの例において、第１部材１０Ｍの少なくとも一部、及び、第２部材２０Ｍの少なくとも一部は、Ｘ－Ｙ平面に対して実質的に平行である。
第２部材２０Ｍは、第１部材１０Ｍから離れる。第１部材１０Ｍと第２部材２０Ｍとの間に、間隙４０が設けられる。間隙４０は、減圧状態である。例えば、容器７０が設けられる。例えば、容器７０の内部に、第１部材１０Ｍ及び第２部材２０Ｍが設けられる。容器７０の内部が減圧状態とされる。これにより、間隙４０が、減圧状態となる。
例えば、第１部材１０Ｍは、第１導電層Ｅ１と電気的に接続される。第２部材２０Ｍは、第２導電層Ｅ２と電気的に接続される。第１端子７１及び第２端子７２が設けられる。第１端子７１は、第１導電層Ｅ１と電気的に接続される。第２端子７２は、第２導電層Ｅ２と電気的に接続される。第１端子７１と第２端子７２との間に、負荷３０が電気的に接続可能である。
負荷３０が、第１配線７１ａにより第１導電層Ｅ１と電気的に接続される。この例では、接続は、第１端子７１を介して行われる。負荷３０が、第２配線７２ａにより第２導電層Ｅ２と電気的に接続される。この例では、接続は、第２端子７２を介して行われる。発電素子１１０は、容器７０、第１端子７１及び第２端子７２を含んでも良い。発電素子１１０は、第１配線７１ａ及び第２配線７２ａを含んでも良い。
第１部材１０Ｍの温度は、熱伝導により、第１導電層Ｅ１の温度と実質的に同じと考えて良い。第２部材２０Ｍの温度は、熱伝導により、第２導電層Ｅ２の温度と実質的に同じと考えて良い。
第１導電層Ｅ１の温度、及び、第１部材１０Ｍの温度を第１温度Ｔ１とする。第２導電層Ｅ２の温度、及び、第２部材２０Ｍの温度を第２温度Ｔ２とする。１つの例において、第１温度Ｔ１が第２温度Ｔ２よりも高くされる。例えば、第１導電層Ｅ１または第１部材１０Ｍを熱源に、接触または近づけることで、このような温度の差を設けることができる。
実施形態において、このような温度差が設けられたときに、第１配線７１ａに、第１導電層Ｅ１から負荷３０への電流Ｉ１が流れる。第２配線７２ａに、負荷３０から第２導電層Ｅ２への電流Ｉ１が流れる。この電流Ｉ１が、発電素子１１０から得られる電力となる。
この電流Ｉ１は、電子５１の移動に基づくと考えられる。例えば、第１部材１０Ｍから間隙４０に向けて、電子５１が放出される。間隙４０中を移動した電子５１が、第２部材２０Ｍに到達する。電子５１は、第２部材２０Ｍを経て第２導電層Ｅ２に流れ、第２配線７２ａを介して、負荷３０に到達する。電子５１は、第１配線７１ａを介して、第１導電層Ｅ１及び第１部材１０Ｍに流れる。
図１に示すように、実施形態において、第１部材１０Ｍは、第１結晶領域１１ｃ及び第１層領域２１ｒを含む。第１結晶領域１１ｃは、第１層領域２１ｒと第１導電層Ｅ１との間にある。
第１結晶領域１１ｃは、分極を有する。分極の負（－σ）から正（＋σ）への向きは、第１導電層Ｅ１から第２導電層Ｅ２への第１向きの成分を有する。
１つの例において、第１結晶領域１１ｃは、ウルツ鉱構造を有する。第１結晶領域１１ｃの＜０００－１＞方向は、上記の第１向き（第１導電層Ｅ１から第２導電層Ｅ２への第１向き）の成分を有する。
例えば、第１結晶領域１１ｃは、窒化物半導体を含む。例えば、第１結晶領域１１ｃは、ＡｌＮを含む。この場合、第１結晶領域１１ｃの第１層領域２１ｒに対向する面１１ｃａは、例えば、実質的に－ｃ面（（０００－１）面）である。第１結晶領域１１ｃの第１導電層Ｅ１に対向する面１１ｃｂは、例えば、実質的に＋ｃ面（（０００１）面）である。
図１に示すように、第１層領域２１ｒは、第１層状部分２１ｐを含む。第１層状部分２１ｐは、上記の第１向きと交差する第１面（例えばＸ－Ｙ平面）に沿って広がる。第１層状部分２１ｐは、グラフェン及び遷移金属ダイカルコゲナイドよりなる群から選択された少なくとも１つを含む。遷移金属ダイカルコゲナイドは、遷移金属と、酸素を除く第１６族元素と、を含む化合物である。遷移金属ダイカルコゲナイドは、ＭＸ２の化学式で表される。「Ｍ」は、遷移金属元素である。遷移金属元素は、例えば、Ｍｏ及びＷよりなる群から選択された少なくとも１つを含む。「Ｘ」は、酸素を除く第１６族元素である。遷移金属ダイカルコゲナイドは、例えば、ＭｏＳ２及びＷＳ２よりなる群から選択された少なくとも１つを含む。例えば、グラフェンの層面は、Ｘ－Ｙ平面に実質的に沿う。遷移金属ダイカルコゲナイドの層面は、Ｘ－Ｙ平面に沿う。
実施形態において、上記の第１結晶領域１１ｃを用いることで、第１部材１０Ｍから電子５１が効率的に放出できる。これにより、発電の効率を向上できる。
第１結晶領域１１ｃの表面が変質する場合がある。例えば、第１結晶領域１１ｃがＡｌＮである場合、ＡｌＮの表面が酸化され、酸化物膜が形成される場合がある。ＡｌＮの表面（電子５１が放出される面）が、－ｃ面（（０００－１）面）である場合、酸化などの変化が特に生じやすいことが分かった。
実施形態においては、上記の第１層領域２１ｒが設けられる。これにより、第１結晶領域１１ｃの表面の変質が抑制される。これにより、安定して効率を向上できる発電素子が提供できる。
図１に示すように、第１層領域２１ｒは、複数の第１層状部分２１ｐを含んでも良い。複数の第１層状部分２１ｐの１つは、複数の第１層状部分２１ｐの別の１つと、第１結晶領域１１ｃと、の間にある。第１層状部分２１ｐの１つがグラフェンである場合、第１層領域２１ｒの少なくとも１つは、グラファイトである。例えば、第１結晶領域１１ｃの表面の変質がより安定して抑制される。例えば、より安定して効率を向上できる。
図１に示すように、第１部材１０Ｍは、第１中間領域２１ａを含んでも良い。第１中間領域２１ａは、例えば、複数の第１層状部分２１ｐの１つと、複数の第１層状部分２１ｐの別の１つと、の間に設けられる。第１中間領域２１ａは、第１層領域２１ｒと第１結晶領域１１ｃとの間に設けられても良い。
実施形態において、第１中間領域２１ａは、例えば、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｆｒ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ及びＲａよりなる群から選択された少なくとも１つ（第１元素３１）を含む。第１中間領域２１ａが設けられることで、例えば、第１部材１０Ｍからの電子の放出の効率が高まる。
第１中間領域２１ａと第２部材２０Ｍとの間に、少なくとも１つの第１層状部分２１ｐが設けられる。これにより、例えば、第１元素３１が第１部材１０Ｍから離れて散逸することが抑制できる。例えば、第１元素３１が、第１部材１０Ｍに留まり易い。これにより、第１元素３１による高い効率が安定して得られる。
図１に示すように、第１中間領域２１ａは、複数の第１層状部分２１ｐの１つと、複数の第１層状部分２１ｐの別の１つと、の間、及び、第１層領域２１ｒと第１結晶領域１１ｃとの間、の両方に設けられても良い。
複数の第１層状部分２１ｐの１つと、複数の第１層状部分２１ｐの別の１つと、の間に設けられる第１中間領域２１ａに含まれる第１元素３１の種類と、第１層領域２１ｒと第１結晶領域１１ｃとの間に設けられる第１中間領域２１ａに含まれる第１元素３１の種類と、が互いに異なっても良い。
１つの例において、第１層状部分２１ｐは、グラフェンを含む。第１中間領域２１ａは、Ｃｓを含む。
実施形態において、第１結晶領域１１ｃは、ＢａＴｉＯ３、ＰｂＴｉＯ３、Ｐｂ（Ｚｒｘ，Ｔｉ１－ｘ）Ｏ３、ＫＮｂＯ３、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＮａｘＷＯ３、Ｚｎ２Ｏ３、Ｂａ２ＮａＮｂ５Ｏ５、Ｐｂ２ＫＮｂ５Ｏ１５及びＬｉ２Ｂ４Ｏ７からなる群から選択された少なくとも１つを含んでも良い。
図１に示すように、この例では、第２部材２０Ｍは、第２結晶領域１２ｃ及び第２層領域２２ｒを含む。第２結晶領域１２ｃは、第２層領域２２ｒと第２導電層Ｅ２との間にある。
第２結晶領域１２ｃの分極の負（－σ）から正（＋σ）への向きは、第２導電層Ｅ２から第１導電層Ｅ１への第２向きの成分を有する。
例えば、第２結晶領域１２ｃは、ウルツ鉱構造を有する。第２結晶領域１２ｃの＜０００－１＞方向は、上記の第２向き（第２導電層Ｅ２から第１導電層Ｅ１への第２向き）の成分を有する。
例えば、第２結晶領域１２ｃは、窒化物半導体を含む。例えば、第２結晶領域１２ｃは、ＡｌＮを含む。この場合、第２結晶領域１２ｃの第２層領域２２ｒに対向する面１２ｃａは、例えば、実質的に－ｃ面（（０００－１）面）である。第２結晶領域１２ｃの第２導電層Ｅ２に対向する面１２ｃｂは、例えば、実質的に＋ｃ面（（０００１）面）である。
例えば、第２層領域２２ｒは、第２層状部分２２ｐを含む。第２層状部分２２ｐは、上記の第２向きと交差する第２面（例えばＸ－Ｙ平面）に沿って広がる。第２層状部分２２ｐは、グラフェン及び遷移金属ダイカルコゲナイドよりなる群から選択された少なくとも１つを含む。遷移金属と、酸素を除く第１６族元素と、を含む化合物である。遷移金属ダイカルコゲナイドは、ＭＸ２の化学式で表される。「Ｍ」は、遷移金属元素である。遷移金属元素は、例えば、Ｍｏ及びＷよりなる群から選択された少なくとも１つを含む。「Ｘ」は、酸素を除く第１６族元素である。遷移金属ダイカルコゲナイドは、例えば、ＭｏＳ２及びＷＳ２よりなる群から選択された少なくとも１つを含む。例えば、グラフェンの層面は、Ｘ－Ｙ平面に実質的に沿う。遷移金属ダイカルコゲナイドの層面は、Ｘ－Ｙ平面に沿う。
上記の第２結晶領域１２ｃを用いることで、第２部材２０Ｍから放出された電子５１が効率的に第２部材２０Ｍに入る。例えば、発電の効率を向上できる。上記の第２層領域２２ｒが設けられることで、例えば、第２結晶領域１２ｃの表面の変質が抑制される。例えば、より安定して効率を向上できる発電素子が提供できる。
第２部材２０Ｍの構成は、第１部材１０Ｍの構成と同様でも良い。これにより、安定して効率を向上できる発電素子を高い生産性で製造できる。
図１に示すように、第２層領域２２ｒは、複数の第２層状部分２２ｐを含んでも良い。複数の第２層状部分２２ｐの１つは、複数の第２層状部分２２ｐの別の１つと、第２結晶領域１２ｃと、の間にある。
図１に示すように、第２部材２０Ｍは、第２中間領域２２ａをさらに含んでも良い。第２中間領域２２ａは、例えば、複数の第２層状部分２２ｐの１つと、複数の第２層状部分２２ｐの別の１つと、の間に設けられる。第２中間領域２２ａは、第２層領域２２ｒと第２結晶領域１２ｃとの間に設けられても良い。第２中間領域は、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｆｒ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ及びＲａよりなる群から選択された少なくとも１つ（第２元素３２）を含む。
第２中間領域２２ａが設けられることで、例えば、第２部材２０Ｍにおける電子の進入の効率が高まる。例えば、第２部材２０Ｍの構成が、第１部材１０Ｍの構成と同様になることで、安定して効率を向上できる発電素子を高い生産性で製造できる。
第２中間領域２２ａと第１部材１０Ｍとの間に、少なくとも１つの第２層状部分２２ｐが設けられる。これにより、例えば、第２元素３２が第２部材２０Ｍから離れて散逸することが抑制できる。例えば、第２元素３２が、第２部材２０Ｍに留まり易い。これにより、第２元素３２による高い効率が安定して得られる。
図１に示すように、第２中間領域２２ａは、複数の第２層状部分２２ｐの１つと、複数の第２層状部分２２ｐの別の１つと、の間、及び、第２層領域２２ｒと第２結晶領域１２ｃとの間、の両方に設けられても良い。
複数の第２層状部分２２ｐの１つと、複数の第２層状部分２２ｐの別の１つと、の間に設けられる第２中間領域２２ａに含まれる第２元素３２の種類と、第２層領域２２ｒと第２結晶領域１２ｃとの間に設けられる第２中間領域２２ａに含まれる第２元素３２の種類と、が互いに異なっても良い。
１つの例において、第２層状部分２２ｐは、グラフェンを含む。第２中間領域２２ａは、Ｃｓを含む。
実施形態において、第２結晶領域１２ｃは、ＢａＴｉＯ３、ＰｂＴｉＯ３、Ｐｂ（Ｚｒｘ，Ｔｉ１－ｘ）Ｏ３、ＫＮｂＯ３、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＮａｘＷＯ３、Ｚｎ２Ｏ３、Ｂａ２ＮａＮｂ５Ｏ５、Ｐｂ２ＫＮｂ５Ｏ１５及びＬｉ２Ｂ４Ｏ７からなる群から選択された少なくとも１つを含んでも良い。
（第２実施形態）
図２は、第２実施形態に係る発電素子を例示する模式的断面図である。
図２に示すように、第２実施形態に係る発電素子１２０は、第１導電層Ｅ１、第２導電層Ｅ２、第１部材１０Ｍ及び第２部材２０Ｍを含む。第１部材１０Ｍは、第１導電層Ｅ１と第２導電層Ｅ２との間に設けられる。第１部材は、第１結晶領域１１ｃ、第１層領域２１ｒ及び第１中間領域２１ａを含む。第１結晶領域１１ｃは、第１層領域２１ｒと第１導電層Ｅ１との間にある。第１結晶領域１１ｃの分極の負（－σ）から正（＋σ）への向きは、第１導電層Ｅ１から第２導電層Ｅ２への第１向きの成分を有する。
第１中間領域２１ａは、第１層領域２１ｒと第１結晶領域１１ｃとの間に設けられる。第１中間領域２１ａは、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｆｒ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ及びＲａよりなる群から選択された少なくとも１つ（第１元素３１）を含む。
第２部材２０Ｍは、第１部材１０Ｍと第２導電層Ｅ２との間に設けられる。第２部材２０Ｍは、第１部材１０Ｍから離れている。
第２実施形態においても、第１元素３１を含む第１中間領域２１ａが設けられることで、例えば、第１部材１０Ｍからの電子の放出の効率が高まる。
第１中間領域２１ａと第２部材２０Ｍとの間に、第１層領域２１ｒの少なくとも一部が設けられる（図２参照）。これにより、例えば、第１元素３１が第１部材１０Ｍから離れて散逸することが抑制できる。例えば、第１元素３１が、第１部材１０Ｍに留まり易い。これにより、第１元素３１による高い効率が安定して得られる。
図２に示すように、第１層領域２１ｒは、第１層状部分２１ｐを含んでも良い。第１層状部分２１ｐは、第１向きと交差する第１面（例えばＸ－Ｙ平面）に沿って広がる。第１層状部分２１ｐは、例えば、グラフェン及び遷移金属ダイカルコゲナイドよりなる群から選択された少なくとも１つを含む。遷移金属ダイカルコゲナイドは、遷移金属と、酸素を除く第１６族元素と、を含む化合物である。遷移金属ダイカルコゲナイドは、ＭＸ２の化学式で表される。「Ｍ」は、遷移金属元素である。遷移金属元素は、例えば、Ｍｏ及びＷよりなる群から選択された少なくとも１つを含む。「Ｘ」は、酸素を除く第１６族元素である。遷移金属ダイカルコゲナイドは、例えば、ＭｏＳ２及びＷＳ２よりなる群から選択された少なくとも１つを含む。例えば、グラフェンの層面は、Ｘ－Ｙ平面に実質的に沿う。遷移金属ダイカルコゲナイドの層面は、Ｘ－Ｙ平面に沿う。
第２実施形態において、第１実施形態において第２部材２０Ｍに関して説明した構成の少なくとも一部が適用されても良い。
第１実施形態及び第２実施形態において、図１及び図２に示すように、第１構造体ＳＢ１は、少なくとも第１部材１０Ｍを含む。第２構造体ＳＢ２は、少なくとも第２部材２０Ｍを含む。第１構造体ＳＢ１は、第１導電層Ｅ１をさらに含んでも良い。第２構造体ＳＢ２は、第２導電層Ｅ２をさらに含んでも良い。
第１実施形態及び第２実施形態において、第１結晶領域１１ｃ及び第２結晶領域１２ｃの少なくともいずれかのＺ軸方向に沿う厚さは、例えば、１ｎｍ以上３０００ｎｍ以下である。第１層領域２１ｒ及び第２層領域２２ｒの少なくともいずれかのＺ軸方向に沿う厚さは、例えば、０．３ｎｍ以上３０ｎｍ以下である。間隙４０のＺ軸方向における長さは、例えば、０．１μｍ以上５０μｍ以下である。
（第３実施形態）
第３実施形態は、発電素子の製造方法に係る。
図３は、第３実施形態に係る発電素子の製造方法を例示するフローチャート図である。 図３に示すように、実施形態に係る発電素子の製造方法は、第１構造体ＳＢ１を形成すること（ステップＳ１１０）を含む。この製造方法は、第１構造体ＳＢ１と第２構造体ＳＢ２とを互いに離して対向させること（ステップＳ１２０）を含む。この製造方法は、第２構造体ＳＢ２を準備することをさらに含んでも良い。第２構造体ＳＢ２を準備することは、第２構造体ＳＢ２を形成することを含んでも良い。ステップＳ１２０は、第１構造体ＳＢ１と第２構造体ＳＢ２とを互いに離して対向させた状態で、第１構造体ＳＢ１と第２構造体ＳＢ２とを互いに固定することを含んでも良い。
以下、ステップＳ１１０のいくつかの例について説明する。
図４は、第３実施形態に係る発電素子の製造方法を例示するフローチャート図である。 図５（ａ）～図５（ｆ）は、第３実施形態に係る発電素子の製造方法を例示する断面図である。
図４に示す例においては、第１構造体ＳＢ１を形成すること（ステップＳ１１０）は、第１部材１０Ｍを形成すること（ステップＳ１１１）、第１導電層Ｅ１を形成すること（ステップＳ１１７）、及び、第１基板を除去すること（ステップＳ１１８）を含む。
例えば、図５（ａ）に示すように、第１基板５０ｓを準備する。第１基板５０ｓは、例えば、ＳｉＣ基板である。
図５（ｂ）に示すように、第１基板５０ｓの上に、第１層領域２１ｒを形成する。例えば、加熱処理により、第１基板５０ｓの一部が変化（例えば熱分解）し、第１層領域２１ｒが形成される。この例では、第１層領域２１ｒは、グラフェン（またはグラファイト）を含む。第１層領域２１ｒは、例えば、第１層状部分２１ｐを含む。
図５（ｃ）に示すように、第１層領域２１ｒの上に、第１結晶領域１１ｃを形成する。第１結晶領域１１ｃとなるＡｌＮの結晶が成長される。
このように、ステップＳ１１１においては、例えば、第１基板５０ｓの上に、第１層領域２１ｒ及び第１結晶領域１１ｃを含む第１部材１０Ｍを形成する（図５（ｃ）参照）。第１層領域２１ｒは、第１基板５０ｓと第１結晶領域１１ｃとの間にある。
図５（ｃ）に示すように、例えば、第１結晶領域１１ｃの分極の正（＋σ）から負（－σ）への向きは、第１基板５０ｓから第１結晶領域１１ｃへの向き（例えばＺ１方向）の成分を有する。第１層領域２１ｒは、第１層状部分２１ｐを含む。第１層状部分２１ｐは、グラフェン及び遷移金属ダイカルコゲナイドよりなる群から選択された少なくとも１つを含む。
図５（ｄ）に示すように、ステップＳ１１７においては、第１結晶領域１１ｃの上に第１導電層Ｅ１を形成する。第１導電層Ｅ１は、例えば、蒸着により形成される。
図５（ｅ）に示すように、ステップＳ１１８において、第１基板５０ｓを除去する。これにより、第１構造体ＳＢ１が形成される。
この例では、例えば、上記の図５（ｅ）の工程の後に、上記の第１元素３１が第１層領域２１ｒ中に導入される。第１元素３１の導入は、例えば、減圧中で第１元素３１を蒸着することにより行われる。１つの例において、第１元素３１を含む第１中間領域２１ａは、例えば、複数の第１層状部分２１ｐの間に設けられる（図５（ｆ）参照）。
図５（ｆ）に示すように、第１元素３１を含む第１中間領域２１ａは、例えば、第１層領域２１ｒと第１結晶領域１１ｃとの間に設けられても良い。
別途、第２構造体ＳＢ２が準備される。第２構造体ＳＢ２は、第１構造体ＳＢ１の製造方法と同様の方法で形成されても良い。
上記のステップＳ１２０（対向させること）において、第１層状部分２１ｐは、第１結晶領域１１ｃと第２構造体ＳＢ２との間にある（図１参照）。
例えば、上記の図５（ｂ）の工程と、図５（ｃ）の工程と、の間に、上記の第１元素３１が第１層領域２１ｒ中に導入されても良い。
図６及び図７は、第３実施形態に係る発電素子の製造方法を例示するフローチャート図である。
図６に示すように、第１部材１０Ｍを形成すること（ステップＳ１１１）は、第１基板５０ｓの上に第１層領域２１ｒ（例えば、ＡｌＮ）を形成すること（ステップＳ１１２）と、第１層領域２１ｒの上に第１結晶領域１１ｃを形成すること（ステップＳ１１３）を含んでも良い。
図７に示すように、第１部材１０Ｍを形成すること（ステップＳ１１１）は、第１基板５０ｓの上に第１結晶領域１１ｃ（例えば、ＡｌＮ）を形成すること（ステップＳ１１３）と、第１結晶領域１１ｃの形成の後に、熱処理を行って、第１基板５０ｓの一部から第１層領域２１ｒを形成すること（ステップＳ１１４）を含んでも良い。
図８は、第３実施形態に係る発電素子の製造方法を例示するフローチャート図である。 図９（ａ）～図９（ｅ）は、第３実施形態に係る発電素子の製造方法を例示する断面図である。
この例においても、図３に関して説明したように、製造方法は、第１構造体ＳＢ１を形成すること（ステップＳ１１０）と、第１構造体ＳＢ１と第２構造体ＳＢ２とを互いに離して対向させること（ステップＳ１２０）と、を含む。図８に示すように、第１構造体ＳＢ１を形成すること（ステップＳ１１０）は、第１部材１０Ｍを形成すること（ステップＳ１１１）と、第１導電層Ｅ１を形成すること（ステップＳ１１７）と、を含む。
例えば、図９（ａ）に示すように、第１基板５０ｓが準備される。第１基板５０ｓは、例えば、ＳｉＣ基板である。第１基板５０ｓは、導電性である。
図９（ｂ）に示すように、第１基板５０ｓの上に、第１結晶領域１１ｃを形成する。例えば、第１結晶領域１１ｃとなるＡｌＮが結晶成長される。
図９（ｃ）に示すように、第１結晶領域１１ｃの上に、第１層領域２１ｒが形成される。例えば、第１層領域２１ｒとなるグラフェン（またはグラファイト）が成長される。
このように、第１部材１０Ｍを形成すること（ステップＳ１１１）において、導電性の第１基板５０ｓの上に、第１層領域２１ｒ及び第１結晶領域１１ｃを含む第１部材１０Ｍが形成される（図９（ｃ）参照）。第１結晶領域１１ｃは、第１基板５０ｓと第１層領域２１ｒとの間にある。第１結晶領域１１ｃの分極の負（－σ）から正（＋σ）への向きは、第１基板５０ｓから第１結晶領域１１ｃへの向き（Ｚ２方向）の成分を有する。第１層領域２１ｒは、第１層状部分２１ｐを含む。第１層状部分２１ｐは、グラフェン及び遷移金属ダイカルコゲナイドよりなる群から選択された少なくとも１つを含む。複数の第１層状部分２１ｐが設けられても良い。
図９（ｄ）に示すように、第１導電層Ｅ１を形成する（ステップＳ１１７）。第１導電層Ｅ１と第１層領域２１ｒとの間に第１結晶領域１１ｃがある。第１導電層Ｅ１と第１結晶領域１１ｃとの間に第１基板５０ｓがある。
図９（ｅ）に示すように、第１元素３１を含む第１中間領域２１ａを形成する。１つの例において、第１中間領域２１ａは、例えば、第１層領域２１ｒの複数の第１層状部分２１ｐの間に形成される。第１中間領域２１ａは、第１層領域２１ｒと第１結晶領域１１ｃとの間に形成される。第１中間領域２１ａの形成（第１元素３１の導入）は、例えば、減圧中で第１元素３１を蒸着することにより行われる。
別途、第２構造体ＳＢ２が準備される。第２構造体ＳＢ２は、第１構造体ＳＢ１の製造方法と同様の方法で形成されても良い。
上記のステップＳ１２０（対向させること）において、第１層状部分２１ｐは、第１結晶領域１１ｃと第２構造体ＳＢ２との間にある（図１参照）。
上記のような製造方法により、安定して効率を向上できる発電素子が製造できる。
（第４実施形態）
図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、第４実施形態に係る発電モジュール及び発電装置を示す模式図的断面図である。
図１０（ａ）に示すように、実施形態に係る発電モジュール２１０においては、第１実施形態に係る発電素子１１０（または第２実施形態に係る発電素子１２０）を含む。この例では、基板１１０Ｓの上において、複数の発電素子１１０が並ぶ。以下の記載において、「発電素子１１０」は、「発電素子１２０」でも良い。
図１０（ｂ）に示すように、実施形態に係る発電装置３１０は、上記の発電モジュール２１０を含む。複数の発電モジュール２１０が設けられても良い。この例では、基板２１０Ｓの上において、複数の発電モジュール２１０が並ぶ。
図１１（ａ）及び図１１（ｂ）は、実施形態に係る発電装置及び発電システムを示す模式図である。
図１１（ａ）及び図１１（ｂ）に示すように、実施形態に係る発電装置３１０（すなわち、実施形態に係る発電素子１１０または発電モジュール２１０）は、太陽熱発電に応用できる。
図１１（ａ）に示すように、例えば、太陽６１からの光は、ヘリオスタット６２で反射し、発電装置３１０（発電素子１１０または発電モジュール２１０）に入射する。光は、第１導電層Ｅ１及び第１部材１０Ｍの第１温度Ｔ１を上昇させる。第１温度Ｔ１が第２温度Ｔ２よりも高くなる。熱が、電流に変化される。電流が電線６５などにより送電される。
図１１（ｂ）に示すように、例えば、太陽６１からの光は、集光ミラー６３で集光され、発電装置３１０（発電素子１１０または発電モジュール２１０）に入射する。光による熱が、電流に変化される。電流が電線６５などにより送電される。
例えば、発電システム４１０は、発電装置３１０を含む。この例では、複数の発電装置３１０が設けられる。この例では、発電システム４１０は、発電装置３１０と、駆動装置６６と、を含む。駆動装置６６は、発電装置３１０を太陽６１の動きに追尾させる。追尾により、効率的な発電が実施できる。
実施形態に係る発電素子１１０（または発電素子１２０）を用いることで、高効率の発電が実施できる。
実施形態によれば、安定して効率を向上できる発電素子、発電モジュール、発電装置、発電システム、及び、発電素子の製造方法が提供できる。
なお、本明細書において「窒化物半導体」とは、ＢｘＩｎｙＡｌｚＧａ１－ｘ－ｙ－ｚＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）なる化学式において組成比ｘ、ｙ及びｚをそれぞれの範囲内で変化させた全ての組成の半導体を含むものとする。またさらに、上記化学式において、Ｎ（窒素）以外のＶ族元素もさらに含むもの、導電形などの各種の物性を制御するために添加される各種の元素をさらに含むもの、及び、意図せずに含まれる各種の元素をさらに含むものも、「窒化物半導体」に含まれるものとする。
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、発電素子に含まれる導電層、部材結晶領域、層領域及び端子などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
その他、本発明の実施の形態として上述した発電素子、発電モジュール、発電装置、発電システム、及び、発電素子の製造方法を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての発電素子、発電モジュール、発電装置、発電システム、及び、発電素子の製造方法も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
１０Ｍ…第１部材、 １１ｃ…第１結晶領域、 １１ｃａ、１１ｃｂ…面、 １２ｃ…第２結晶領域、 １２ｃａ、１２ｃｂ…面、 ２０Ｍ…第２部材、 ２１ａ…第１中間領域、 ２１ｐ…第１層状部分、 ２１ｒ…第１層領域、 ２２ａ…第２中間領域、 ２２ｐ…第２層状部分、 ２２ｒ…第２層領域、 ３０…負荷、 ３１、３２…第１、第２元素、 ４０…間隙、 ５０ｓ…第１基板、 ５１…電子、 ６１…太陽、 ６２…ヘリオスタット、 ６３…集光ミラー、 ６５…電線、 ６６…駆動装置、 ７０…容器、 ７１、７２…第１、第２端子、 ７１ａ、７２ａ…第１、第２配線、 １１０、１２０…発電素子、 １１０Ｓ…基板、 ２１０…発電モジュール、 ２１０Ｓ…基板、 ３１０…発電装置、 ４１０…発電システム、 Ｅ１、Ｅ２…第１、第２導電層、 Ｉ１…電流、 ＳＢ１、ＳＢ２…第１、第２構造体、 Ｔ１、Ｔ２…第１、第２温度

Claims (20)

  1. 第１導電層と、
    第２導電層と、
    前記第１導電層と前記第２導電層との間に設けられた第１部材であって、前記第１部材は、第１結晶領域及び第１層領域を含み、前記第１結晶領域は、前記第１層領域と前記第１導電層との間にあり、前記第１結晶領域の分極の負から正への向きは、前記第１導電層から前記第２導電層への第１向きの成分を有し、前記第１層領域は、前記第１向きと交差する第１面に沿って広がる第１層状部分を含み、前記第１層状部分は、グラフェン及び遷移金属ダイカルコゲナイドよりなる群から選択された少なくとも１つを含む、前記第１部材と、
    前記第１部材と前記第２導電層との間に設けられ前記第１部材から離れた第２部材と、
    を備え、
    前記第１層領域は、前記第１部材と前記第２部材との間の間隙に向けて露出しており、
    前記第１結晶領域は前記第１層領域と接した、発電素子。
  2. 前記第１層領域は、複数の前記第１層状部分を含み、
    前記複数の第１層状部分の１つは、前記複数の第１層状部分の別の１つと、前記第１結晶領域と、の間にある、請求項１記載の発電素子。
  3. 前記第１部材は、前記複数の第１層状部分の前記１つと、前記複数の第１層状部分の前記別の１つと、の間に設けられた第１中間領域をさらに含み、
    前記第１中間領域は、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｆｒ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ及びＲａよりなる群から選択された少なくとも１つを含む、請求項２記載の発電素子。
  4. 前記第１部材は、前記第１層領域と前記第１結晶領域との間に設けられた第１中間領域をさらに含み、
    前記第１中間領域は、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｆｒ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ及びＲａよりなる群から選択された少なくとも１つを含む、請求項１記載の発電素子。
  5. 前記第１層状部分は、グラフェンを含み、
    前記第１中間領域は、Ｃｓを含む、請求項３または４に記載の発電素子。
  6. 前記第１結晶領域の＜０００－１＞方向は、前記第１向きの成分を有する、請求項１～５のいずれか１つに記載の発電素子。
  7. 前記第１結晶領域は、ウルツ鉱構造を有する、請求項１～６のいずれか１つに記載の発電素子。
  8. 前記第１結晶領域は、ＢａＴｉＯ３、ＰｂＴｉＯ３、Ｐｂ（Ｚｒｘ，Ｔｉ１－ｘ）Ｏ３、ＫＮｂＯ３、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＮａｘＷＯ３、Ｚｎ２Ｏ３、Ｂａ２ＮａＮｂ５Ｏ５、Ｐｂ２ＫＮｂ５Ｏ１５及びＬｉ２Ｂ４Ｏ７からなる群から選択された少なくとも１つを含む、請求項１～６のいずれか１つに記載の発電素子。
  9. 前記第２部材は、第２結晶領域及び第２層領域を含み、
    前記第２結晶領域は、前記第２層領域と前記第２導電層との間にあり、
    前記第２結晶領域の分極の負から正への向きは、前記第２導電層から前記第１導電層への第２向きの成分を有し、
    前記第２層領域は、前記第２向きと交差する第２面に沿って広がる第２層状部分を含み、前記第２層状部分は、グラフェン及び遷移金属ダイカルコゲナイドよりなる群から選択された少なくとも１つを含む、請求項１～８のいずれか１つに記載の発電素子。
  10. 前記第２層領域は、複数の前記第２層状部分を含み、
    前記複数の第２層状部分の１つは、前記複数の第２層状部分の別の１つと、前記第２結晶領域と、の間にある、請求項９記載の発電素子。
  11. 前記第２部材は、前記複数の第２層状部分の前記１つと、前記複数の第２層状部分の前記別の１つと、の間に設けられた第２中間領域をさらに含み、
    前記第２中間領域は、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｆｒ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ及びＲａよりなる群から選択された少なくとも１つを含む、請求項１０記載の発電素子。
  12. 前記第２部材は、前記第２層領域と前記第２結晶領域との間に設けられた第２中間領域をさらに含み、
    前記第２中間領域は、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｆｒ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ及びＲａよりなる群から選択された少なくとも１つを含む、請求項９記載の発電素子。
  13. 第１導電層と、
    第２導電層と、
    前記第１導電層と前記第２導電層との間に設けられた第１部材であって、前記第１部材は、第１結晶領域、第１層領域及び第１中間領域を含み、前記第１結晶領域は、前記第１層領域と前記第１導電層との間にあり、前記第１結晶領域の分極の負から正への向きは、前記第１導電層から前記第２導電層への第１向きの成分を有し、前記第１中間領域は、前記第１層領域と前記第１結晶領域との間に設けられ、前記第１中間領域は、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｆｒ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ及びＲａよりなる群から選択された少なくとも１つを含む、前記第１部材と、
    前記第１部材と前記第２導電層との間に設けられ前記第１部材から離れた第２部材と、
    を備え、
    前記第１層領域は、前記第１部材と前記第２部材との間の間隙に向けて露出しており、
    前記第１中間領域は、前記第１層領域及び前記第１結晶領域と接した、発電素子。
  14. 前記第１層領域は、前記第１向きと交差する第１面に沿って広がる第１層状部分を含み、
    前記第１層状部分は、グラフェン及び遷移金属ダイカルコゲナイドよりなる群から選択された少なくとも１つを含む、請求項１３記載の発電素子。
  15. 請求項１～１４のいずれか１つに記載の前記発電素子を複数備えた発電モジュール。
  16. 請求項１５記載の前記発電モジュールを複数備えた発電装置。
  17. 請求項１６記載の発電装置と、
    駆動装置と、
    を備え、
    前記駆動装置は、前記発電装置を太陽の動きに追尾させる、発電システム。
  18. 第１構造体を形成することと、
    前記第１構造体と第２構造体とを互いに離して対向させることと、
    を備え、
    前記第１構造体を形成することは、
    第１基板の上に、第１層領域及び第１結晶領域を含む第１部材を形成し、前記第１層領域は、前記第１基板と前記第１結晶領域との間にあり、前記第１結晶領域の分極の正から負への向きは、前記第１基板から前記第１結晶領域への向きの成分を有し、前記第１層領域は、第１層状部分を含み、前記第１層状部分は、グラフェン及び遷移金属ダイカルコゲナイドよりなる群から選択された少なくとも１つを含み、
    前記第１結晶領域の上に第１導電層を形成し、
    前記第１基板を除去すること
    を含み、
    前記対向させることにおいて、前記第１層状部分は、前記第１結晶領域と前記第２構造体との間にあり、
    前記第１層領域は、前記第１部材と前記第２構造体との間の間隙に向けて露出しており、
    前記第１結晶領域は前記第１層領域と接する、発電素子の製造方法。
  19. 前記第１部材を形成することは、
    前記第１基板の上に前記第１結晶領域を形成し、
    前記第１結晶領域の形成の後に熱処理を行って前記第１基板の一部から前記第１層領域を形成することを含む、請求項１８記載の発電素子の製造方法。
  20. 第１構造体を形成することと、
    前記第１構造体と第２構造体とを互いに離して対向させることと、
    を備え、
    前記第１構造体を形成することは、
    導電性の第１基板の上に、第１層領域及び第１結晶領域を含む第１部材を形成し、前記第１結晶領域は、前記第１基板と前記第１層領域との間にあり、前記第１結晶領域の分極の負から正への向きは、前記第１基板から前記第１結晶領域への向きの成分を有し、前記第１層領域は、第１層状部分を含み、前記第１層状部分は、グラフェン及び遷移金属ダイカルコゲナイドよりなる群から選択された少なくとも１つを含み、
    第１導電層を形成し、前記第１導電層と前記第１層領域との間に前記第１結晶領域があり、前記第１導電層と前記第１結晶領域との間に前記第１基板があり、
    前記対向させることにおいて、前記第１層状部分は、前記第１結晶領域と前記第２構造体との間にあり、
    前記第１層領域は、前記第１部材と前記第２構造体との間の間隙に向けて露出しており、
    前記第１結晶領域は前記第１層領域と接する、発電素子の製造方法。
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