JP2012186471A - 電気エネルギー発生装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 電気エネルギー発生装置を提供する。
【解決手段】 圧電特性を有する半導体物質からなる複数のナノワイヤと、該ナノワイヤの一端に形成される層であり、ナノワイヤとｐ−ｎ接合を形成する半導体層と、ナノワイヤの他端に接する層であり、金属−絶縁体転移（ＭＩＴ）特性を有する物質からなるコンタクト層と、を含む電気エネルギー発生装置である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電気エネルギー発生装置に係り、特に、太陽光及び機械的振動を電気エネルギーに変換させるハイブリッド電気エネルギー発生装置に関する。

太陽電池は、太陽光のエネルギーを電気エネルギーに変える装置であり、ｐ型半導体物質とｎ型半導体物質とを利用し、電気エネルギーを発生させる。このような太陽電池に光を照らせば、その内部で、電子と正孔とが発生し、このように発生した電子及び正孔がｎ型電極及びｐ型電極に移動することによって、電気エネルギーを発生させる。最近では、太陽電池の効率を高めるために、ナノワイヤのようなナノ構造体について研究が試みられている。

また、最近、周辺環境によって、太陽光と機械的振動とを選択的に電気エネルギーに変化させるハイブリッド電気エネルギー発生装置が開発されている。このようなハイブリッド電気エネルギー発生装置は、太陽電池素子と圧電素子とが融複合された構造を有する。前記ハイブリッド電気エネルギー発生装置では、互いに異なるエネルギー発生方式、すなわち、太陽電池方式と圧電方式とによって、それぞれ電気エネルギーが発生するが、このような太陽電池方式での電極コンタクト特性と圧電方式の電極コンタクト特性とは、互いに異なる。従って、このようなハイブリッド電気エネルギー発生装置で、さらに効率的に電気エネルギーを生産するためには、太陽電池素子では、オーミック・コンタクト（ohmic contact）を必要とし、圧電素子では、ショットキー・コンタクト（Shottky contanct）を必要とする。

本発明は、太陽光及び機械的振動を効率的に電気エネルギーに変換させるハイブリッド電気エネルギー発生装置を提供するものである。

本発明の一側面において、圧電特性を有する半導体物質からなる複数のナノワイヤと、前記ナノワイヤの一端に形成される層であり、前記ナノワイヤとｐ−ｎ接合を形成する半導体層と、前記ナノワイヤの他端に接する層であり、金属−絶縁体転移（ＭＩＴ：metal-insulation transition）特性を有する物質からなるコンタクト層と、を含む電気エネルギー発生装置が提供される。

ここで、前記コンタクト層は、温度による金属−絶縁体転移特性を有する物質からなってもよい。

前記ナノワイヤの他端と、前記コンタクト層との間には、所定温度以上では、オーミック・コンタクト（ohmic contact）が形成され、所定温度以下では、ショットキー・コンタクト（Shottky contact）が形成される。

前記コンタクト層は、例えば、バナジウム酸化物を含むことができる。前記コンタクト層は、変形自在な材質の透明基板上に形成されてもよい。

前記ナノワイヤは、例えば、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ)またはポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）を含むことができる。そして、前記半導体層は、無機物及び有機物のうち少なくともいずれか一つを含むことができる。

前記ナノワイヤは、ｎ型半導体物質からなり、前記半導体層は、ｐ型半導体物質からなってもよい。或いは、前記ナノワイヤは、ｐ型半導体物質からなり、前記半導体層は、ｎ型半導体物質からなってもよい。

前記ナノワイヤは、前記半導体層上に垂直、または一定の角度で傾斜するように配列されてもよい。

本発明の実施形態によれば、温度による金属−絶縁体転移（ＭＩＴ）特性を有する物質を利用してコンタクト層を形成することにより、温度によって、ナノワイヤとコンタクト層との間にオーミック・コンタクトやショットキー・コンタクトを可変的に形成することができる。これにより、太陽エネルギーや機械的な振動エネルギーが電気エネルギーに効率的に変換される。

本発明の実施形態による電気エネルギー発生装置を概略的に図示した斜視図である。 図１に図示されたII−II’線に沿って切り取って見た断面図である。 本発明の実施形態による電気エネルギー発生装置が、太陽光によって電気エネルギーを発生させる場合を図示した図面である。 本発明の実施形態による電気エネルギー発生装置が、機械的な振動によって電気エネルギーを発生させる場合を図示した図面である。 ＶＯ_２薄膜に対する温度による抵抗値を図示したグラフである。

以下、添付された図面を参照しつつ、本発明の実施形態について詳細に説明する。図面で同じ参照符号は、同じ構成要素を指し、各構成要素の大きさや厚さは、説明の明瞭性のために誇張されている場合がある。

図１は、本発明の実施形態による電気エネルギー発生装置を概略的に図示した斜視図である。そして、図２は、図１に図示されたII−II’線に沿って切り取って見た断面図である。

図１及び図２を参照すれば、第１基板１１０及び第２基板１５０が、所定間隔をおいて離隔されて配されている。下部基板である第１基板１１０上には、半導体層１２０が形成されている。ここで、前記半導体層１２０は、後述するナノワイヤ１３０とｐ−ｎ接合を形成する層であり、ｐ型半導体物質またはｎ型半導体物質からなる。例えば、前記半導体層１２０は、ＧａＮのようなIII−V族半導体化合物であったり、II−VI族半導体化合物からなってもよい。前記半導体層は、それ以外にも、多様な物質からなり、また無機物と有機物とのうち少なくともいずれか一つからなってもよい。

前記半導体層１２０上には、複数のナノワイヤ１３０が形成されている。ここで、前記ナノワイヤ１３０は、前記半導体層１２０上に垂直に、または一定の角度に傾斜するように配列されている。このようなナノワイヤ１３０は、半導体層１２０とｐ−ｎ接合を形成することによって、太陽エネルギーを電気エネルギーに変換させる役割を行い、また圧電特性によって、機械的な振動エネルギーを電気エネルギーに変換させる役割を行う。これにより、前記ナノワイヤ１３０は、圧電特性を有するｎ型半導体物質またはｐ型半導体物質のいずれでもよい。具体的には、前記ナノワイヤ１３０が、ｎ型半導体物質からなる場合には、前記半導体層１２０は、ｐ型半導体物質からなり、前記ナノワイヤ１３０が、ｐ型半導体物質からなる場合には、前記半導体層１２０は、ｎ型半導体物質からなる。例えば、前記半導体層１２０は、ｐ型ＧａＮからなり、前記ナノワイヤ１３０は、ｎ型酸化亜鉛（ＺｎＯ）からなってもよい。一方、それ以外にも、前記ナノワイヤ１３０は、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：leadzirconate titanate）またはポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ：polyvinylidene fluoride）などを含むことができる。しかし、それらは単に例示的なものに過ぎず、前記ナノワイヤ１３０は、それら以外にも、多様な圧電特性を有する半導体物質を含むことができる。

前記第２基板１５０の下面には、コンタクト層１４０が設けられている。ここで、前記第２基板１５０としては、例えば、変形自在な透明材質の基板が使われる。具体的には、前記第２基板１５０は、例えば、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ：polyether sulfone）などよりなり、それ以外にも、多様な材質を含むことができる。そして、前記第２基板１５０の下面には、コンタクト層１４０が、前記ナノワイヤ１３０の上端に接するように設けられている。ここで、前記コンタクト層１４０は、前記ナノワイヤ１３０とのコンタクト特性が可変する物質からなる。具体的には、前記コンタクト層１４０は、モット転移（Mott transition）特性、すなわち、金属−絶縁体転移（ＭＩＴ：metal-insulator transition）特性を有する物質からなる。

本実施形態で、前記コンタクト層１４０は、温度変化によってコンタクト特性が変化する金属−絶縁体転移（ＭＩＴ）特性を有する物質からなる。例えば、所定温度以上では、前記コンタクト層１４０が金属特性を有することによって、前記コンタクト層１４０とナノワイヤ１３０との間に、オーミック・コンタクト（ohmic contact）を形成することができる。また、所定温度以下では、前記コンタクト層１４０が絶縁体特性を有することによって、前記コンタクト層１４０とナノワイヤ１３０との間に、ショットキー・コンタクト（Shottky contact）を形成することができる。このような金属−絶縁体転移（ＭＩＴ）特性を有する物質として、例えば、ＶＯ_２またはＶ_２Ｏ_５のようなバナジウム酸化物を挙げることができる。このようなバナジウム酸化物では、その組成によって、ほぼ４０℃〜７０℃の温度範囲内で、金属−絶縁体転移が生じる。しかし、かようなバナジウム酸化物は、単に例示的なものに過ぎず、本実施形態は、それに限定されるものではなく、バナジウム酸化物以外にも、温度による金属−絶縁体転移特性を有する物質であるならば、コンタクト層１４０をなす物質として、いなかるものでも使用可能である。

図５は、ＶＯ_２薄膜に対する温度による抵抗値を図示したグラフである。具体的には、図５は、１００ｎｍ厚のＶＯ_２薄膜に対する温度変化による電気抵抗値の変化を測定した結果を図示したグラフである。図５を参照すれば、５０℃〜６０℃の温度範囲内で、ほぼ１０^３Ωほどの抵抗値変化が示されるということが分かる。具体的には、ほぼ５５℃以上の温度範囲では、前記ＶＯ_２薄膜は、電気抵抗値が非常に低い金属特性を有し、５５℃より低い温度範囲では、前記ＶＯ_２薄膜は、電気抵抗値が非常に大きい絶縁体特性を有するということが分かる。従って、かようなＶＯ２薄膜で、前記コンタクト層１４０を形成すれば、５５℃以上の温度範囲では、前記コンタクト層１４０の金属特性によって、前記コンタクト層１４０とナノワイヤ１３０との間には、オーミック・コンタクトが形成される。また、５５℃より低い温度範囲では、前記コンタクト層１４０の絶縁体特性によって、前記コンタクト層１４０とナノワイヤ１３０との間には、ショットキー・コンタクトが形成される。

図３は、本発明の実施形態による電気エネルギー発生装置が、太陽光によって電気エネルギーを発生させる場合を図示したものである。図３を参照すれば、前記電気エネルギー発生装置が、所定温度以上では、コンタクト層１４０とナノワイヤ１３０との界面１４０ａで、オーミック・コンタクトが形成されることによって、太陽エネルギーを電気エネルギーに変換させることができる。具体的には、前記コンタクト層１４０が、例えば、ＶＯ_２薄膜からなる場合、ほぼ５５℃以上の温度では、前記コンタクト層１４０とナノワイヤ１３０との界面１４０ａで、オーミック・コンタクトが形成される。この場合、外部の太陽光が、透明な第２基板１５０を介して入射されれば、ｐ−ｎ接合を形成する半導体層１２０とナノワイヤ１３０とから、それぞれ電子及び正孔が分離されて移動することによって、電気エネルギーを得ることができる。

そして、図４は、本発明の実施形態による電気エネルギー発生装置が、機械的な振動によって、電気エネルギーを発生させる場合を図示したものである。図４を参照すれば、前記電気エネルギー発生装置が、所定温度以下では、コンタクト層１４０とナノワイヤ１３０と界面１４０ａで、ショットキー・コンタクトが形成される。これにより、機械的な振動エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。具体的には、前記コンタクト層１４０が、例えば、ＶＯ_２薄膜からなる場合、ほぼ５５℃以下の温度では、前記コンタクト層１４０とナノワイヤ１３０との間に、ショットキー・コンタクトが形成される。この場合、前記第２基板１５０が、外部の機械的な力によって振動すれば、前記コンタクト層１４０とナノワイヤ１３０との間の摩擦によって、電気エネルギーが発生する。すなわち、前記コンタクト層１４０が、前記ナノワイヤ１３０に対して相対的に動けば、前記ナノワイヤ１３０の上部は、コンタクト層１４０の動きによって、反りのような変形が発生する。ここで、前記ナノワイヤ１３０に応力が加えられれば、加えられた応力が除去される過程が反復されることになり、前記ナノワイヤ１３０の両端方向には、電位差が発生し、かような電位差によって発生する電子の流れによって、電気エネルギーを得ることができる。

以上のように、本実施形態による電気エネルギー発生装置では、温度変化による金属−絶縁体転移特性を有する物質を利用して、コンタクト層１４０を形成することにより、周囲温度によって、コンタクト層１４０とナノワイヤ１３０との間に可変的なコンタクトを形成することができる。これにより、一定温度以上では、オーミック・コンタクトによって、太陽エネルギーを電気エネルギーに変換させ、一定温度以下では、ショットキー・コンタクトによって、機械的な振動エネルギーを電気エネルギーに変換させることができので、さらに効率的に外部のエネルギーを電気エネルギーに変換させることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、それらは例示的なものに過ぎず、当分野で当業者であるならば、それらから多様な変形及び均等な他実施形態が可能であるという点を理解することができるであろう。

１１０ 第１基板
１２０ 半導体層
１３０ ナノワイヤ
１４０ コンタクト層
１４０ａ コンタクト層とナノワイヤとの界面
１５０ 第２基板

Claims (10)

1. 圧電特性を有する半導体物質からなる複数のナノワイヤと、
   前記ナノワイヤの一端に形成される層であり、前記ナノワイヤとｐ−ｎ接合を形成する半導体層と、
   前記ナノワイヤの他端に接する層であり、金属−絶縁体転移（ＭＩＴ）特性を有する物質からなるコンタクト層と、を含む電気エネルギー発生装置。
2. 前記コンタクト層は、温度による金属−絶縁体転移特性を有する物質からなることを特徴とする請求項１に記載の電気エネルギー発生装置。
3. 前記ナノワイヤの他端と前記コンタクト層との間には、所定温度以上では、オーミック・コンタクトが形成され、所定温度以下では、ショットキー・コンタクトが形成されることを特徴とする請求項２に記載の電気エネルギー発生装置。
4. 前記コンタクト層は、バナジウム酸化物を含むことを特徴とする請求項２に記載の電気エネルギー発生装置。
5. 前記コンタクト層は、変形自在な材質の透明基板上に形成されることを特徴とする請求項１に記載の電気エネルギー発生装置。
6. 前記ナノワイヤは、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）またはポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）を含むことを特徴とする請求項１に記載の電気エネルギー発生装置。
7. 前記半導体層は、無機物及び有機物のうち少なくともいずれか一つを含むことを特徴とする請求項１に記載の電気エネルギー発生装置。
8. 前記ナノワイヤは、ｎ型半導体物質からなり、前記半導体層は、ｐ型半導体物質からなることを特徴とする請求項１に記載の電気エネルギー発生装置。
9. 前記ナノワイヤは、ｐ型半導体物質からなり、前記半導体層は、ｎ型半導体物質からなることを特徴とする請求項１に記載の電気エネルギー発生装置。
10. 前記ナノワイヤは、前記半導体層上に垂直、または一定の角度で傾斜するように配列されることを特徴とする請求項１に記載の電気エネルギー発生装置。

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