JP2005116324A - 複合電池およびこれを含む電子機器 - Google Patents
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Abstract
【課題】 光エネルギーを有効に利用でき、薄型で例えば携帯可能な各種電子機器に用いることができる複合電池およびこれを用いた電子機器を提供すること。
【解決手段】 複合電池は、光起電力効果を用いた光電変換素子（太陽電池）１０と、シート状の全固体二次電池２０とを含む。シート状の全固体二次電池２０は、イオン伝導性の固体電解質粒子をポリマーに分散させた電解質シート２４と、電解質シート２４の一方の側に設けられ、電極活物質粒子をポリマーに分散させた第１の電極シート２３と、電解質シートの他方の側に設けられ、電極活物質粒子をポリマーに分散させた第２の電極シート２５と、を含むことができる。
【選択図】 図２
【解決手段】 複合電池は、光起電力効果を用いた光電変換素子（太陽電池）１０と、シート状の全固体二次電池２０とを含む。シート状の全固体二次電池２０は、イオン伝導性の固体電解質粒子をポリマーに分散させた電解質シート２４と、電解質シート２４の一方の側に設けられ、電極活物質粒子をポリマーに分散させた第１の電極シート２３と、電解質シートの他方の側に設けられ、電極活物質粒子をポリマーに分散させた第２の電極シート２５と、を含むことができる。
【選択図】 図２
Description
本発明は、光電変換素子と二次電池とを利用した、環境にやさしい省エネルギー型の複合電池およびこれを用いた電子機器に関する。
地球環境問題が大きくクローズアップされ、あらゆる分野で省エネルギーや資源の再利用計画が図られようとしている。新エネルギー素子としては、種々の機構のものが提案されているが、エネルギー効率の優れたシステムの開発はいまだ充分とはいえない。
太陽電池システムの代表的な利用分野は、夜間の屋外照明などの光源ならびに表示パネルや携帯機器のインジケータ、照光スイッチ、ＯＡ機器の電源等がある。
従来は、発電システムとしては、太陽光、白熱電球などの熱放射光を利用するもの、蛍光灯、水銀灯、ＣＲＴなどの紫外線放射光などを用いるものがある。一方、光電気変換素子としては、太陽電池や光電管などがあげられる。
昨今の地球環境問題が大きくクローズアップされるに及んで複合素子としても如何にクリーンで無公害のシステムを組むかが重要な課題となっている。そして、無尽蔵かつ無公害の太陽エネルギーを使用した安価で地球環境にやさしい電池が要求されている。
しかながら、既存のシリコン半導体に代表される太陽電池と鉛蓄電池などを含む電源システムは、電池が箱形あるいはボタン型で、デバイスが極めて厚くなりやすく、薄型のデバイスには使用することができなかった。
本発明の目的は、光エネルギーを有効に利用でき、薄型で例えば携帯可能な各種電子機器に用いることができる複合電池およびこれを用いた電子機器を提供することにある。
本発明にかかる複合電池は、光起電力効果を用いた光電変換素子と、シート状の全固体二次電池とを含むことを特徴とする。
かかる複合電池によれば、太陽電池に代表される光電変換素子と全固体二次電池とを組み合わせることにより、太陽光や照明光などの光エネルギーを用いて光電変換素子で生成した電気エネルギーを全固体二次電池に供給して蓄積することができる。その結果、本発明にかかる複合電池によれば、充分な光エネルギーがない状況でも、全固体二次電池に蓄えられた電気エネルギーを常に供給できる。さらに、本発明にかかる複合電池では、シート状の全固体二次電池を使用するため、複合電池の厚さを極めて薄くすることができる。そのため、本発明にかかる複合電池は、例えば、照明の光源、あるいは表示パネルや携帯機器のインジケータ、照光スイッチ、ＯＡ機器、ＩＣタグなどの小型の電子機器の電源として用いることができる。
本発明において、前記光電変換素子は、特に限定されないが、有機化合物半導体を用いたポリマー系光電変換素子を用いることができる。かかるポリマー系光電変換素子を用いることにより、例えばシリコン半導体を用いた光電変換素子に比べて、より薄い複合電池を構成できる。
本発明において、前記光電変換素子は、特に限定されないが、全固体型であることができる。かかる全固体型の光電変換素子を用いると、液漏れのない複合電池を得ることができる。
本発明において、前記全固体二次電池は、特に限定されないが、有機系材料を用いたシート状のものを用いることができる。このようなシート状の全固体二次電池は、イオン伝導性の固体電解質粒子をポリマーに分散させた電解質シートと、前記電解質シートの一方の側に設けられ、電極活物質粒子をポリマーに分散させた第１の電極シートと、前記電解質シートの他方の側に設けられ、電極活物質粒子をポリマーに分散させた第２の電極シートと、を含むことができる。かかるシート状の全固体二次電池は、極めて薄く（例えば厚さが５００μｍ〜３ｍｍ）、柔軟性を有し、かつ大面積を有することができる。その結果、携帯機器やＩＣタグなどの小型電子機器への実装が容易である。この場合、前記全固体二次電池は、さらに、前記正の電極シートと接触する引き出し電極と、前記負の電極シートと接触する引き出し電極と、を有することができる。
本発明において、前記光電変換素子と前記全固体二次電池とは、一体的に形成されることができる。例えば、前記光電変換素子と前記全固体二次電池とは、積層構造を有することができる。また、本発明において、前記光電変換素子と前記全固体電池とが分離した状態で配置されることもできる。例えば、光電変換素子と全固体二次電池とを、それぞれ基材の表と裏に分離して設けることもでき、あるいは基材の一表面に分離して設けることもできる。
本発明にかかる電子機器は、本発明にかかる複合電池を含んで構成される。かかる電子機器としては、特に限定されず各種の機器を挙げることができ、例えば、表示パネルや携帯機器のインジケータ、照光スイッチ、ＯＡ機器、ＩＣタグ、電子ペーパー、ＩＣカードなどを例示できる。
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本発明にかかる一実施の形態を模式的に示す図である。図２は、太陽電池１０と、ポリマー系の全固体二次電池２０とを積層して複合電池を構成した例を模式的に示す断面図である。
本実施の形態にかかる複合電池は、光電変換素子としての太陽電池１０と、シート状の全固体二次電池２０とを含む。太陽電池１０の正極（アノード電極）と、全固体二次電池２０の正極とが接続され、太陽電池１０の負極（カソード電極）と、全固体二次電池２０の負極とが接続されている。また、太陽電池１０の正極（アノード電極）と、全固体二次電池２０の正極との間に、全固体二次電池２０から太陽電池１０へ電流が逆流するのを防止するための整流素子、例えばダイオード３０が設けられている。
本実施の形態で用いられる光電変換素子は特に限定されないが、代表的には太陽電池１０を用いることができる。太陽電池１０としては、シリコン半導体を用いたシリコン系太陽電池、化合物半導体を用いた化合物半導体系太陽電池、フタロシアニンやポリビニルカルバゾール、ポリフェニレンビニレン、ポリピロール、ポリチオフェンなどの有機化合物半導体を用いたポリマー太陽電池、あるいはグレーツエル型太陽電池など、公知のものを用いることができる。
太陽電池１０は、例えば、図２に示すように、少なくとも、透明な基板１１，透明電極（アノード電極）１２，光変換層１４，電極（カソード電極）１５を有する。光変換層１４は、太陽電池のタイプによってその材質が選択され、上述したようなシリコンあるいは化合物半導体、有機化合物半導体などが用いられる。太陽電池１０は、さらに、正孔輸送層および電子輸送層の少なくとも一方を有することができる。
図２に示す例では、光変換層１４として有機化合物半導体層が用いられている。有機化合物半導体としては、上述したポリマーの他に、例えば、立体規則性ポリチオフェン（ポリヘキシルチオフェン）とフラーレン誘導体（ＰＣＢＭ）の混合物を用いることができる。また、図２に示す例では、太陽電池１０は、正孔および電子輸送層の機能を有する導電性高分子層１３が設けられている。このような導電性高分子としては、例えば、エチレンジオキシポリチオフェンを用いることができる。
太陽電池１０の電極としては、半導体とオーミック接合となる金属を選定する。例えば、シリコン系太陽電池では、Ａｕ，Ａｌなどを熱処理によってオーミック接触させる。ＧａＡｓ，ＧａＡｌＡｓ系の化合物半導体系太陽電池では、ｐ型半導体層側ではＡｕ−Ｂｅ系合金を、ｎ型半導体層側ではＡｕ−Ｇｅ系合金を熱処理によりオーミック接触させることが多い（サイエンスフォーラム刊、最新化合物半導体ハンドブックＰ．１７０〜Ｐ．１７１参照）。太陽電池１０の電極は、必要に応じて公知の多層構造とすることができる。
光を取り込む側は、透明電極１２を形成することが必要である。また、この透明電極１２の厚さは、耐久性、実装性との関係で、通常、１μｍ以下で十分である。透明電極１２を形成するものとしては、Ａｕ，Ａｇ，Ｐｄなどの金属薄膜、酸化インジウム、酸化錫、インジウムスズオキサイド（ＩＴＯ）、酸化亜鉛などの金属酸化物薄膜、さらには、Ａｇ／ＴｉＯ2などの多層膜がある。透明電極１２は、仕事関数が４．０ｅＶ以上の金属酸化物からなることが好ましい。
光を取り込む側の透明電極１２を支持する基板１１としては、可視光を透過する材料であれば特に限定されない。かかる基板１１の材料としては、例えば、石英、無アルカリガラス、ソーダガラスなどの無機ガラス、ポリカーボネート、ポリメチルメタクリレート、ポリエステル、ポリイミド、ポリアミドなどの有機ガラスが用いられる。
全固体二次電池２０としてはシート状であれば特に限定されないが、有機系材料を用いたものを好ましく用いることができる。
このようなシート状のポリマー系全固体二次電池２０は、例えば、図２に示すように、イオン伝導性の固体電解質粒子をポリマーに分散させた電解質シート２４と、電解質シートの一方の側に設けられ、電極活物質粒子をポリマーに分散させた第１（負）の電極シート２３と、電解質シート２４の他方の側に設けられ、電極活物質粒子をポリマーに分散させた第２（正）の電極シート２５と、を含む。さらに、図２に示すポリマー系全固体二次電池２０は、第１の電極シート２３の外側（図２の下側）に、第１の炭素集電体２２と、第１（負）の取り出し電極（例えば銀、銅からなる電極）２１とが形成されている。また、第２の電極シート２５の外側（図２の上側）に、第２の炭素集電体２６と、第２（正）の取り出し電極（例えば銀、銅からなる電極）２７とが形成されている。
このようなシート状のポリマー系全固体二次電池２０は、極めて薄く（厚さが、好ましくは５００μｍ〜３ｍｍ、より好ましくは５００μｍ〜１ｍｍ）、柔軟性を有し、かつ大面積を有することができる。シート状のポリマー系全固体二次電池としては、例えば、特開昭６３−２３９７７５号，同６３−２３９７７４号，同６３−２４４５７２号、特開平１−１１５０６９号公報，同２−６１９１２号，同２−１６２６６１号などに記載されているものを用いることができる。
図２に示す積層タイプでは、太陽電池１０のカソード電極１５と、全固体二次電池２０の第１の取り出し電極２１とが接するように、太陽電池１０と全固体二次電池２０とが積層されている。カソード電極１５と取り出し電極２１とは、同一の層であってもよい。また、太陽電池１０と全固体二次電池２０との固定方法あるいは封止方法は特に限定されず、両者を接着によって固定しても良く、あるいはポリエチレンフィルム、ポリプロピレンフィルムなどを用いたラミネート封止によっても固定してもよい。
また、本実施の形態にかかる複合電池は、ボンディングワイヤーなどを介して、あるいは、ボンディングワイヤーなどを介さずにフィルム状の配線基板を用いて直接的に、太陽電池１０と全固体二次電池２０とを電気的に接続することができる。
図１，図２に示した例では、太陽電池１０および全固体二次電池２０を単体で積層した複合電池について述べたが、複合電池はこのような形態に限定されない。例えば、全固体二次電池２０は、複数のものを直列に接続することで所望の電圧に設定できる。また、太陽電池１０と全固体二次電池２０とは、積層したものに限定されず、各種のレイアウトをとることができる。例えば、基材の表裏にそれぞれの素子を設けても良いし、基材の一面に所望の配置で設けることもできる。
本実施の形態にかかる電子機器は、上述した本実施の形態の複合電池を含んで構成される。例えば図１に示すように、シート状の全固体二次電池２０の端子は、表示部やＩＣチップなどの、電気エネルギーを供給されて駆動する被駆動体４０に電気的に接続される。
本実施の形態にかかる複合電池によれば、太陽電池１０に代表される光電変換素子とシート状の全固体二次電池２０とを組み合わせることにより、太陽光や照明光などの光エネルギーを用いて光電変換素子で生成した電気エネルギーを全固体二次電池２０に供給して蓄積することができる。その結果、充分な光エネルギーがない状況でも、光を有効に利用して全固体二次電池２０に蓄えられた電気エネルギーを常に供給でき、きわめて効率よくかつ耐久性に優れた電源を提供できる。
さらに、本実施の形態にかかる複合電池では、シート状の全固体二次電池２０を使用するため、複合電池の厚さを極めて薄くすることができる。そのため、本実施の形態にかかる複合電池は、例えば、表示パネルや携帯機器のインジケータ、照光スイッチ、ＯＡ機器、ＩＣタグなどの小型の電子機器の電源として用いることができる。
図２に示す複合電池において、透明基板１１としてプラスチック板を用い、透明電極（アノード電極）１２としてＩＴＯ膜を用いた。さらに、透明電極１２上に、エチレンジオキシポリチオフェンからなる導電性高分子層１３，立体規則性ポリチオフェン（ポリヘキシルチオフェン）とフラーレン誘導体（ＰＣＢＭ）の混合物（両者の比１：１）を用いた光変換層１４およびアルミニウム電極１５を順に、膜厚６０ｎｍ、２００ｎｍおよび１５００ｎｍで形成した。このようにして形成された太陽電池１０は、開放電圧が０．５Ｖ、および短絡電流密度が１５ｍＡであった。
さらに、アルミニウム電極１５上に、銅からなる第１の取り出し電極２１，第１の炭素集電体２２，銀からなる第１の電極シート２３，銀電解質を含む電解質シート２４，銀からなる第２の電極シート２５，第２の炭素集電体２６および銅からなる第２の取り出し電極２７を形成した。さらに、透明電極１２と第２の取り出し電極２７との間に逆電流防止のためのダイオード３０を設けた。
このようにして形成された複合電池に、液晶ディスプレイを接続したところ、太陽電池１０で充電した後には、暗室でも液晶ディスプレイは点灯し続けることを確認した。
１０ 太陽電池
２０ シート状の全固体二次電池
３０ 整流素子
４０ 被駆動体
１１ 透明基板
１２ 透明電極（アノード電極）
１３ 導電性高分子層
１４ 光変換層
１５ カソード電極
２１ 第１の取り出し電極
２２ 第１の炭素集電体
２３ 第１の電極シート
２４ 電解質シート
２５ 第２の電極シート
２６ 第２の炭素集電体
２７ 第２の取り出し電極
２０ シート状の全固体二次電池
３０ 整流素子
４０ 被駆動体
１１ 透明基板
１２ 透明電極（アノード電極）
１３ 導電性高分子層
１４ 光変換層
１５ カソード電極
２１ 第１の取り出し電極
２２ 第１の炭素集電体
２３ 第１の電極シート
２４ 電解質シート
２５ 第２の電極シート
２６ 第２の炭素集電体
２７ 第２の取り出し電極
Claims (13)
- 光起電力効果を用いた光電変換素子と、シート状の全固体二次電池とを含むことを特徴とする複合電池。
- 請求項１において、
前記光電変換素子は、有機化合物半導体を用いたポリマー系光電変換素子であることを特徴とする複合電池。 - 請求項２において、
前記光電変換素子は、全固体型であることを特徴とする複合電池。 - 請求項１ないし３のいずれかにおいて、
前記全固体二次電池は、
イオン伝導性の固体電解質粒子をポリマーに分散させた電解質シートと、
前記電解質シートの一方の側に設けられ、電極活物質粒子をポリマーに分散させた第１の電極シートと、
前記電解質シートの他方の側に設けられ、電極活物質粒子をポリマーに分散させた第２の電極シートと、
を含むことを特徴とする複合電池。 - 請求項４において、
前記全固体二次電池は、さらに、前記第１の電極シートと接触する引き出し電極と、前記第２の電極シートと接触する引き出し電極と、を有することを特徴とする複合電池。 - 請求項１ないし５のいずれかにおいて、
前記光電変換素子と前記全固体二次電池とは、一体的に形成されていることを特徴とする複合電池。 - 請求項６において、
前記光電変換素子と前記全固体二次電池とは、積層構造を有することを特徴とする複合電池。 - 請求項１ないし５のいずれかにおいて、
前記光電変換素子と前記全固体電池が分離して配置されていることを特徴とする複合電池。 - 請求項１ないし８のいずれかにおいて、
前記光電変換素子の透明電極は、仕事関数が４．０ｅＶ以上の金属酸化物からなることを特徴とする複合電池。 - 透明基板上に、光電変換素子と全固体二次電池とが積層され、
前記光電変換素子は、透明基板上に設けられた透明なアノード電極と、光変換層と、カソード電極とを含み、
前記全固体二次電池は、第１の引き出し電極と、負の電極シートと、電解質シートと、正の電極シートと、第２の引き出し電極とを含み、
さらに、前記全固体二次電池から前記光電変換素子への逆電流を防止する整流素子を有することを特徴とする複合電池。 - 請求項１０において、
前記光電変換素子は、さらに、正孔輸送層および電子輸送層の少なくとも一方を有することを特徴とする複合電池。 - 請求項１１において、
前記光変換層と、正孔輸送層および電子輸送層の少なくとも一方とは、有機材料を主成分とすることを特徴とする複合電池。 - 請求項１ないし１２のいずれかに記載の複合電池を含む電子機器。
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