JP2012517095A - 移動変更用誘電勾配領域を有するエネルギー変換セルおよびその方法 - Google Patents
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Abstract
Description
太陽電池はいずれも、光生成電荷の移動性が悪いという難点をもつ。例えば、固体太陽電池で使用される材料をその移動度とともに以下に記す。オリゴチオフェン系材料の移動度は0.03cm2/V−s未満であり、フタロシインの移動度は0.01cm2/V−s未満、ペンタセンの移動度は0.62cm2/V−s未満、C60の移動度は0.08cm2/V−s未満、ペリレンジイミドの移動度は約1.5×10−5cm2/V−s未満である。イオン電荷は一般に水溶液中で拡散し、その拡散定数は10−5cm2/s前後であり、これは10−4cm2/V−s前後の移動度と一致する。上記の材料は、移動度がこのように小さいので、光生成電荷キャリアの移動性が悪く、そのため、利用可能な電圧のかなりの部分を回収支援に使用しなければならず、外部の発電に利用可能な電圧が減少してしまう。
答して電子、正孔、励起子、イオン、またはラジカル系のエネルギーもしくは電荷などの光生成化学種を生成する材料によって光子が受け入れられる。他の実施形態では、このエネルギー変換装置は燃料電池などの化学エネルギー変換装置であり、移動対象の化学種(例えば、電子、正孔、励起子、イオン、またはラジカル系のエネルギーもしくは電荷)が生成されるエネルギー交換領域で化学反応が生じる。
の実施形態では、エネルギー交換領域にわたって複数の粒子または空隙のサイズを変化させることによって誘電勾配を調整する。基材は、プラスチック半導体、ポリマー半導体、または無機半導体から選択することができる。本態様によるエネルギー変換セルは、光起電力電池、特に固体または液体接合型の太陽電池などの光子エネルギー変換セルとし得る。この光起電力電池の実施形態の一部は、光子吸収を増大させるためのスペクトル改変領域をさらに備える。このスペクトル改変領域は、第1屈折率を有する複合膜と、第1屈折率と異なる第2屈折率を有する基材とを含む。スペクトル改変領域の複合膜は、基材上に配置され、発光材料およびミクロンサイズのシリコン粒子を含む。他の実施形態では、本技術によるエネルギー変換セルは、燃料電池などの化学エネルギー変換セルである。本実施形態では、電子、イオン、励起子、およびラジカル系の電荷またはエネルギーなどの反応化学種の1種または複数種が第1移動領域を介して陰極に向かって移動し、これらの反応化学種は陰極での反応において触媒として働く。いくつかの実施形態では、誘電体領域は、単一の反応化学種の移動に影響を及ぼすように、小さな長さスケールにわたって誘電勾配が設けられるように調整される。例えば、いくつかの実施形態では、誘電体領域は、上記移動方向に約100Å以下(例えば、50Å、40Å、30Å、20Å)の長さスケールを有する。いくつかの実施形態では、誘電体領域は、上記移動方向に約10nm以上(例えば、20nm、40nm、50nm、100nm、200nm)の長さスケールを有し、そのため、より大きな反応化学種または反応化学種群の移動がより大きな長さスケールにわたって影響を受ける。いくつかの実施形態は、2つ以上の誘電体領域を含むことを特徴とし、第1誘電体領域は約100Å以下の長さスケールを有し、第2誘電体領域は10nm以上の長さスケールを有する。いくつかの実施形態は、第1移動領域および第2移動領域の少なくとも一方にわたって電界を印加する装置を備えることを特徴とする。
せる方法に関するものである。この方法は、エネルギー変換装置の陽極と陰極の間に少なくとも1つの誘電勾配領域を設けるステップを含み、この少なくとも1つの誘電勾配領域は、所望の励起子の移動方向に沿って約100Å以下の長さスケールを有する。
すなわち、反応により生成された、例えば光により生成されたまたは化学反応により生成された)化学種の回収・反応可能領域(例えば陽極、陰極)への移動性によって制限される。これまで、拡散プロセスおよび/または電界駆動プロセスを利用して、エネルギー交換生成化学種(すなわち反応生成化学種)を陽極または陰極に移動させて発電を行ってきた。本出願の技術は、反応生成化学種(例えば、電子、正孔、イオン、励起子、およびラジカル系の電荷またはエネルギー)の動きに非電界・非拡散プロセスを利用することを対象とする。
られる。
部表面を通過させられる。イオン(または水素燃料電池の実施形態では陽子)は、誘電体TiO2粒子を含む第2移動領域15を通過する。これらのTiO2粒子は移動方向に沿って誘電強度が大きくなるように勾配が付けられており、そのため移動速度が大きくなっている。陽子は第2移動領域15を介して移動し、エネルギー交換領域13/陰極11に至り、そこで、陽子は別の触媒表面に当たる。ここで、外部回路から戻された電子は、燃料(例えば水素)および酸化剤(例えば酸素)と混合され水が形成される。外部回路を移動する電子から電力が得られる。
01の底部506に向かって誘電率が増加する。
提供すると有利なことがある。例えば、変換セル10内でエネルギー交換領域13と第2移動領域15の間に誘電体領域14を1つだけ配置するのではなく、2つの誘電体領域を設けることができる。具体的には、エネルギー交換領域13と第2移動領域15の間に配置した第1誘電体領域に、エネルギー交換領域13と第1移動領域12の間に配置した第2誘電体領域をさらに追加することができる。可能な別の実施形態では、100Å未満の長さスケールで誘電勾配を有する第1誘電体領域も、10nm以上の長さスケールで誘電勾配を有する第2誘電体領域とともに単一のエネルギー変換セル内に設ける。誘電体領域を設ける場所を変えたり、誘電体領域の数を他の値にしたりすることも可能である。
によって第2材料907が組み込まれる。他の実施形態では、基材906内に複数の空隙(例えば空気の泡)を含ませることによって第2材料907が組み込まれる。エネルギー交換領域903内の誘電勾配は、異なる誘電材料の粒子を含ませるか、この領域にわたって粒子の濃度を単調に変化させるか、領域903にわたって粒子のサイズを単調に変化させるか、または、これらを任意に組み合わせることによってさらに調整することができる。
改善される実施形態では、誘電体領域の長さスケールは約100Å以下(例えば、100Å、75Å、50Å、40Å、30Å、20Å、10Å)である。この実施形態では、誘電勾配は、予想される移動の環境に対応する小さな長さスケールを有し、そのため、励起子の移動と同じサイズスケールにわたって誘電強度が著しく増加または減少する。
[0073]以下の実施例は、本開示の特定の実施形態の実施および利点を示すことのみを意図しており、包括的な本開示の範囲を制限するためのものではない。
Claims (49)
- 電子、正孔、イオン、励起子(excitons)、およびラジカル系(radical-based)の電荷(charge)もしくはエネルギーの1種または複数種の移動、が改善されたエネルギー変換(conversion)セル(cell)であって、
陰極と、
第1移動領域(transport region)と、
エネルギー交換(exchange)領域と、
誘電体領域と、
第2移動領域と、
陽極と、
を備え、前記誘電体領域は、前記陽極または陰極の一方への移動方向に沿って誘電率勾配(a dielectric constant of a graded value)が得られるように調整され(tailored)、
それによって、電子、正孔、イオン、励起子、およびラジカル系の電荷もしくはエネルギーの1種または複数種の移動が改善される、エネルギー変換セル。 - 前記エネルギー交換領域は、前記第1移動領域の少なくとも一部の中に配置される、請求項1に記載のエネルギー変換セル。
- 前記誘電体領域は、前記エネルギー交換領域と前記第2移動領域の界面(interface)に
配置される、請求項1に記載のエネルギー変換セル。 - 前記誘電体領域は、前記移動方向に沿って誘電率勾配が得られる形状の構造を有する、請求項3に記載のエネルギー変換セル。
- 前記構造は、前記界面に沿って複数の隆起部(bumps)または畝部(ridges)を含む、請求
項4に記載のエネルギー変換セル。 - 前記誘電体領域は、基材内に配置された1種または複数種の誘電材料の複数の粒子を含む、請求項1に記載のエネルギー変換セル。
- 前記基材は水である、請求項6に記載のエネルギー変換セル。
- 前記誘電体領域にわたって前記複数の粒子の濃度を単調に変化させる、請求項6に記載のエネルギー変換セル。
- 前記誘電体領域にわたって複数の粒子のサイズを単調に(monotonically)変化させる、
請求項6に記載のエネルギー変換セル。 - 前記誘電体領域は、誘電率勾配を設けるために組成が変化(varied composition)した層を含む、請求項1に記載のエネルギー変換セル。
- 光子エネルギー変換セルを備える、請求項1に記載のエネルギー変換セル。
- 前記光子エネルギー変換セルは光起電力電池を備える、請求項11に記載のエネルギー変換セル。
- 前記光起電力電池は、固体または液体接合型の太陽電池を備える、請求項12に記載のエネルギー変換セル。
- スペクトル改変(modification)領域をさらに備え、
前記スペクトル改変領域は、第1屈折率を有する複合膜(composite film)と、前記第1屈折率と異なる第2屈折率を有する基材(matrix)とを含み、
前記複合膜は前記基材上に配置され(disposed)、前記複合膜は発光(luminescent)材料
およびミクロンサイズのシリコン粒子を含む、請求項11に記載のエネルギー変換セル。 - 燃料電池を備える、請求項1に記載のエネルギー変換セル。
- 電子、イオン、励起子、およびラジカル系の電荷もしくはエネルギーの1種または複数種が前記第1移動領域を介して前記陰極に向かって移動し、前記移動した電子、イオン、励起子、またはラジカル系の電荷もしくはエネルギーは前記陰極での反応において触媒として働く、請求項1に記載のエネルギー変換セル。
- 前記誘電体領域は、前記移動方向に約100Å以下の長さスケール(length scale)を有する、請求項1に記載のエネルギー変換セル。
- 前記誘電体領域は、前記移動方向に約10nm以上の長さスケールを有する、請求項1に記載のエネルギー変換セル。
- 第2誘電体領域をさらに備える、請求項1に記載のエネルギー変換セル。
- 前記第2誘電体領域は、前記移動方向に、前記誘電体領域の前記長さスケールとは異なる長さスケールを有する、請求項19に記載のエネルギー変換セル。
- 前記第1移動領域および前記第2移動領域の少なくとも一方にわたって電界を印加する装置をさらに備える、請求項1に記載のエネルギー変換セル。
- 電子、正孔、イオン、励起子、およびラジカル系の電荷もしくはエネルギーの1種または複数種の移動が改善されたエネルギー変換セルであって、
陰極と、
第1移動領域と、
第1誘電率を有する基材(matrix)および前記第1誘電率よりも小さい第2誘電率を有する第2材料であって前記基材(matrix material)内に分散されて(dispersed)誘電勾配(dielectrically graded)複合領域(composite region)を形成する第2材料を含むエネルギー
交換領域と、
第2移動領域と、
陽極と、
を備える、エネルギー変換セル。 - 前記エネルギー交換領域は、前記第1移動領域の少なくとも一部の中に配置される、請求項22に記載のエネルギー変換セル。
- 前記第2材料は複数の粒子または空隙(voids)を含む、請求項22に記載の光子エネル
ギー変換セル。 - 前記基材は、プラスチック半導体、ポリマー半導体、または無機半導体を含む、請求項24に記載の光子エネルギー変換セル。
- 前記基材にわたって前記複数の粒子または空隙の濃度(concentration)を単調に変化さ
せる、請求項24に記載のエネルギー変換セル。 - 前記基材にわたって複数の粒子または空隙のサイズを単調に変化させる、請求項24に記載のエネルギー変換セル。
- 光子エネルギー変換セルを備える、請求項22に記載のエネルギー変換セル。
- 前記光子エネルギー変換セルは光起電力電池を備える、請求項28に記載のエネルギー変換セル。
- スペクトル改変領域をさらに備え、
前記スペクトル改変領域は、第1屈折率を有する複合膜と、前記第1屈折率と異なる第2屈折率を有するスペクトル改変(modification)基材(matrix)とを含み、
前記複合膜は前記スペクトル改変基材上に配置され、前記複合膜は発光材料およびミクロンサイズのシリコン粒子を含む、請求項28に記載のエネルギー変換セル。 - 燃料電池を備える、請求項22に記載のエネルギー変換セル。
- 電子、イオン、励起子、およびラジカル系の電荷もしくはエネルギーの1種または複数種が前記第1移動領域を介して前記陰極に向かって移動し、前記移動した電子、イオン、励起子、またはラジカル系の電荷もしくはエネルギーは前記陰極での反応において触媒として働く、請求項20に記載のエネルギー変換セル。
- 前記誘電勾配複合領域は、前記移動方向に約100Å以下の長さスケールを有する、請求項22に記載のエネルギー変換セル。
- 前記誘電勾配複合領域は、前記移動方向に約10nm以上の長さスケールを有する、請求項22に記載のエネルギー変換セル。
- 第2誘電勾配複合領域をさらに備える、請求項22に記載のエネルギー変換セル。
- 前記第1移動領域および前記第2移動領域の少なくとも一方にわたって電界を印加する装置をさらに備える、請求項22に記載のエネルギー変換セル。
- 励起子の移動が実質的に抑制された光子エネルギー変換セルであって、
陰極と、
第1移動領域と、
光子吸収領域と、
誘電体領域と、
第2移動領域と、
陽極と、
を備え、前記誘電体領域は、前記陽極または陰極の一方への移動方向に沿って誘電率勾配が得られるように調整され、それによって励起子(exciton)の移動が抑制(inhibit)される、光子エネルギー変換セル。 - 励起子の移動が実質的に抑制された(inhibited)光子(photon)エネルギー変換セルであ
って、
陰極と、
第1移動領域と、
第1誘電率を有する基材および前記第1誘電率よりも小さい第2誘電率を有する第2材料であって前記基材内に分散されて誘電勾配複合領域を形成する第2材料を含む光子吸収
領域と、
第2移動領域と、
陽極と、
を備える、光子エネルギー変換セル。 - エネルギー変換装置内での帯電した化学種(species)の移動を改善する方法であって、
前記エネルギー変換装置の陽極と陰極の間に少なくとも1つの誘電勾配領域を設けるステップを含み、
前記少なくとも1つの誘電勾配領域は、所望の帯電した化学種の移動方向に沿って約10nm以上の長さスケールを有する、方法。 - 前記エネルギー変換装置に電界を印加するステップをさらに含む、請求項39に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの誘電勾配領域は複数の粒子を含み、前記少なくとも1つの誘電勾配領域にわたって前記粒子の濃度またはサイズを所望の帯電した化学種の前記移動方向に沿って変化させる、請求項39に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの誘電勾配領域は、所望の帯電した化学種の前記移動方向に沿って約10nm以上の長さスケールが得られる構造を形成するように成膜される、請求項39に記載の方法。
- 第2誘電勾配領域を設けるステップをさらに含む、請求項39に記載の方法。
- エネルギー変換装置内での励起子の移動を変化させる方法であって、
前記エネルギー変換装置の陽極と陰極の間に少なくとも1つの誘電勾配領域を設けるステップを含み、
前記少なくとも1つの誘電勾配領域は、所望の励起子の移動方向に沿って約100Å以下の長さスケールを有する、方法。 - 前記少なくとも1つの誘電勾配領域は複数の粒子を含み、前記少なくとも1つの誘電勾配領域にわたって前記粒子の濃度(concentration)またはサイズを所望の励起子の前記移
動方向に沿って変化させる、請求項44に記載の方法。 - 前記少なくとも1つの誘電勾配領域は、所望の励起子の前記移動方向に沿って約100Å以下の長さスケールが得られる構造を形成するように成膜される(deposited)、請求項
44に記載の方法。 - 第2誘電勾配領域を設けるステップをさらに含む、請求項44に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの誘電勾配領域は、励起子の移動を改善するように勾配が付けられる、請求項44に記載の方法。
- 前記少なくとも1つの誘電勾配領域は、励起子の移動を実質的に抑制するように勾配が付けられる、請求項44に記載の方法。
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