JP2021141280A - Power generation element, power generation device, electronic device, and manufacturing method of power generation element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、発電素子、発電装置、電子機器及び発電素子の製造方法に関する。 The present invention relates to a power generation element, a power generation device, an electronic device, and a method for manufacturing the power generation element.
例えば特許文献1には、仕事関数を有する電極間に発生する、絶対温度による電子放出現象を利用した熱電素子であって、エミッタ電極層と、コレクタ電極層と、エミッタ電極層及びコレクタ電極層の表面に分散して配置され、エミッタ電極層及びコレクタ電極層をサブミクロン感覚で罹患する電気絶縁性の球状ナノビーズとを備え、エミッタ電極層の仕事関数はコレクタ電極層の仕事関数よりも小さく、球状ナノビーズの粒子径は100nm以下である熱電素子が開示されている。
For example,
特許文献1に開示されるような電極間の仕事関数差を利用する熱電素子は、例えばゼーベック効果のような電極間の温度差を利用した熱電素子と比較し、電極間の温度差が小さい場合であっても発電が可能である。
A thermoelectric element that utilizes a work function difference between electrodes as disclosed in
特許文献1に記載されたような従来の熱電素子(以下、これを発電素子と呼んでもよい)においては、集積回路を駆動するような電力を出力するためには発電素子同士を直列に接続するような複雑な配線を行わなければ集積回路を駆動するための十分な電圧が担保できない。 In a conventional thermoelectric element as described in Patent Document 1 (hereinafter, this may be referred to as a power generation element), the power generation elements are connected in series in order to output power that drives an integrated circuit. Sufficient voltage for driving integrated circuits cannot be guaranteed without such complicated wiring.
本発明の実施の形態の一態様は、従来と比較して容易に集積回路を駆動するための十分な電圧が担保できる発電素子を提供することを目的とする。 One aspect of the embodiment of the present invention is to provide a power generation element capable of ensuring a sufficient voltage for driving an integrated circuit more easily than in the prior art.
熱エネルギーを電気エネルギーに変換する発電素子であって、n型半導体と、n型半導体の第1の面に設けられた第1の電極部と、第1の電極部を支持する支持部と、を有する第1のセルと、第1の面と第1の方向において対向し、第1の電極部と離間し、第1の電極部とは異なる仕事関数を有する第2の電極部と、第1の電極部と第2の電極部との間に設けられ、第1の電極部の仕事関数と第2の電極部の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含む中間部と、を備え、第1の電極部は、n型半導体が縮退した縮退部を含む、発電素子を提供する。 A power generation element that converts thermal energy into electrical energy, and includes an n-type semiconductor, a first electrode portion provided on the first surface of the n-type semiconductor, and a support portion that supports the first electrode portion. A second electrode portion that faces the first surface in the first direction, is separated from the first electrode portion, and has a work function different from that of the first electrode portion. An intermediate portion provided between the first electrode portion and the second electrode portion and containing nanoparticles having a work function between the work function of the first electrode portion and the work function of the second electrode portion, The first electrode portion provides a power generation element including a reduced portion in which the n-type semiconductor is reduced.
熱エネルギーを電気エネルギーに変換する発電素子を備えた発電装置であって、発電素子は、n型半導体と、n型半導体の第1の面に設けられた第1の電極部と、第1の電極部を支持する支持部と、を有する第1のセルと、第1の面と第1の方向において対向し、第1の電極部と離間し、第1の電極部とは異なる仕事関数を有する第2の電極部と、第1の電極部と第2の電極部との間に設けられ、第1の電極部の仕事関数と第2の電極部の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含む中間部と、を備え、第1の電極部は、n型半導体が縮退した縮退部を含む、発電装置を提供する。 A power generation device including a power generation element that converts thermal energy into electrical energy, wherein the power generation element includes an n-type semiconductor, a first electrode portion provided on a first surface of the n-type semiconductor, and a first. A first cell having a support portion that supports the electrode portion, faces the first surface in the first direction, is separated from the first electrode portion, and has a work function different from that of the first electrode portion. It is provided between the second electrode portion and the first electrode portion and the second electrode portion, and has a work function between the work function of the first electrode portion and the work function of the second electrode portion. The first electrode portion includes an intermediate portion containing the nanoparticles to be provided, and the first electrode portion provides a power generation device including a reduced portion in which the n-type semiconductor is reduced.
熱エネルギーを電気エネルギーに変換する発電素子と、発電素子を電源に用いて駆動されることが可能な電子機器と、を含む電子機器であって、発電素子は、n型半導体と、n型半導体の第1の面に設けられた第1の電極部と、第1の電極部を支持する支持部と、を有する第1のセルと、第1の面と第1の方向において対向し、第1の電極部と離間し、第1の電極部とは異なる仕事関数を有する第2の電極部と、第1の電極部と第2の電極部との間に設けられ、第1の電極部の仕事関数と第2の電極部の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含む中間部と、を備え、第1の電極部は、n型半導体が縮退した縮退部を含む、電子機器を提供する。 An electronic device including a power generation element that converts thermal energy into electrical energy and an electronic device that can be driven by using the power generation element as a power source. The power generation element is an n-type semiconductor and an n-type semiconductor. A first cell having a first electrode portion provided on the first surface of the above and a support portion for supporting the first electrode portion, facing the first surface in the first direction, and first A second electrode portion separated from the first electrode portion and having a work function different from that of the first electrode portion, and a first electrode portion provided between the first electrode portion and the second electrode portion. The first electrode portion includes an intermediate portion containing nanoparticles having a work function between the work function of Provide equipment.
熱エネルギーを電気エネルギーに変換する発電素子の製造方法であって、n型半導体を含む第1のセルの一部を縮退させた縮退部を形成し、縮退部を含む第1の電極部を形成し、第1の電極部を支持する支持部を形成し、第1のセル及び第2の電極部を積層し、第1の電極部の仕事関数と第2の電極部の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含む中間部を第1の電極部と第2の電極部との間に形成する、発電素子の製造方法を提供する。 A method for manufacturing a power generation element that converts thermal energy into electrical energy, in which a reduced portion is formed by decomposing a part of a first cell containing an n-type semiconductor, and a first electrode portion including the reduced portion is formed. Then, a support portion for supporting the first electrode portion is formed, the first cell and the second electrode portion are laminated, and between the work function of the first electrode portion and the work function of the second electrode portion. Provided is a method for manufacturing a power generation element, in which an intermediate portion containing nanoparticles having the work function of is formed between a first electrode portion and a second electrode portion.
本発明の実施の形態の一態様によれば従来と比較して容易に集積回路を駆動するための十分な電圧が担保できる発電素子を実現できる。 According to one aspect of the embodiment of the present invention, it is possible to realize a power generation element capable of ensuring a sufficient voltage for driving an integrated circuit more easily than in the conventional case.
以下図面を用いて、本発明の実施の形態の一態様を詳述する。 Hereinafter, one aspect of the embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(本実施の形態)
図1は、本実施の形態による発電素子1を示す模式斜視図である。図1に示すように、熱エネルギーを電気エネルギーに変換し電流を生成する素子である発電素子1は、発電装置100に備えられ、発電装置100は、発電素子1の他に、端子101,102と、配線103,104と、を備える。なお電流は、発電素子1が備える後述の第1の電極部23と第2の電極部24との間を流れる。
(Implementation)
FIG. 1 is a schematic perspective view showing a
発電素子1を備える発電装置100は、例えば図示せぬ熱源に搭載又は設置され、熱源の熱エネルギーを元にして、発電素子1が発生させた電気エネルギーを、端子101,102及び配線103,104を介して負荷Rに出力する。
The
負荷Rの一端は端子101を介して配線103と電気的に接続され、負荷Rの他端は端子102を介して配線104と電気的に接続される。負荷Rは、例えば電気的な機器であって、例えば発電素子1を主電源又は補助電源に用いて駆動させることができる。
One end of the load R is electrically connected to the
発電素子1の熱源としては、例えばCPU(Central Processing Unit)などの電子デバイス、電子部品、LED(Light Emitting Diode)などの発光素子、自動車などのエンジン、工場などにおける生産設備、人体、太陽光及び環境温度などを利用することができる。なお電子デバイス、電子部品、発光素子、エンジン及び生産設備などは人工熱源であって、人体、太陽光及び環境温度などは自然熱源である。
Examples of the heat source of the
発電素子1を備える発電装置100は、例えばIoT(Internet of Things)デバイス、ウェアラブル機器及び自立型センサ端末などの電子機器の内部に設けられることができるため、電子機器の電池の代替又は補助としての動作ができる。また発電装置100は、IoTデバイスなどと比較して大規模な電力を扱うような例えば太陽光発電などに利用されてもよい。
Since the
なお発電素子1単体は、発電素子1が発電する原理である発電原理によって、温度センサとして利用されることもできる。また発電素子1単体は、電子機器の内部に設けられてもよく、この場合、発電素子1単体が電子機器の電池の代替又は補助として動作する。
The
発電素子1は、絶縁体である封止部材3によって側面部が覆われており、例えば上部に第1の金属2を備えており、中間にギャップ部20を備えており、例えば下部に半導体などを縮退させることで形成される縮退部4を備えている。端子101は、第1の金属2に接続され、端子102は、縮退部4に接続される。
The side surface of the
縮退は例えばn型のドーパントを高濃度に半導体にイオン注入することや、n型のドーパントを含むガラスなどの材料を半導体にコーティングし、コーティング後に熱処理を行うことによって生じる。 Degeneracy occurs, for example, by ion-implanting an n-type dopant into a semiconductor at a high concentration, or by coating a semiconductor with a material such as glass containing the n-type dopant and performing heat treatment after coating.
ここで図2及び図3を参照し発電素子1の内部の構造について説明する。図2は、図1におけるA−A’断面を示す模式断面図である。図3は、図1におけるB−B’断面を示す模式断面図である。図2及び図3に示すように発電素子1は、第1のセル10と、第2の電極部24と、ナノ粒子を含む中間部8と、を備える。
Here, the internal structure of the
第1のセル10は、縮退していないn型半導体である非縮退部5と、n型半導体の第1の面21に設けられた第1の電極部23と、第1の電極部23を支持する支持部7と、を有する。第1の電極部23は、n型半導体が縮退した縮退部4を含む。縮退部4は、支持部7と接する。なお第1のセル10は、縮退部4とは非縮退部5を挟んだ側に形成される縮退部6を含んでもよい。ここでn型半導体とは例えばシリコンに不純物としてリンなどの5価元素を添加したn型シリコンとする。
The
第2の電極部24は、第1の面21と第1の方向Zにおいて対向し、第1の電極部23と離間し、第1の電極部23とは異なる仕事関数を有する。また第2の電極部24は、n型半導体が縮退した縮退部4,6と、縮退していないn型半導体である非縮退部5と、を有する第2のセル11に含まれていてもよい。
The
中間部8は、第1の電極部23と第2の電極部24との間に設けられ、中間部8に含まれる後述のナノ粒子15は、第1の電極部23の仕事関数と第2の電極部24の仕事関数との間の仕事関数を有する。
The
ギャップ部20は、第1の電極部23、第2の電極部24及び支持部7で囲まれた部分を示し、外部から隔離された空間である。ギャップ部20は、第1の電極部23と、第2の電極部24と、中間部8と、を有する。発電素子1の内部側とは、ギャップ部20を含む部分を指し、発電素子1の外部側とは、ギャップ部20から離間した部分を指す。
The
以上のように本実施の形態における発電素子1は、縮退部4を含む第1の電極部23と第2の電極部24とが支持部7によって離間されている。また第1のセル10及び第2のセル11が有するn型半導体である非縮退部5となっており電気を通す。このため発電素子1内においては配線が不要となり、従来と比較して容易に集積回路を駆動するための十分な電圧が担保できる発電素子を実現できる。
As described above, in the
なお支持部7は、例えばn型半導体を縮退させた部分の一部をドライ酸化させることで形成される。ドライ酸化によれば、1000℃で50nmの厚さのシリコン酸化膜を形成するために1時間程度の時間がかかり、ドライ酸化は反応律速のプロセスであるため、例えば50nmの標準膜厚に対して誤差1nm程度の精度で支持部7を形成することが可能となる。このためドライ酸化の手法を用いることで、ギャップ部20を高精度で形成することが可能となる。
The
なお例えばドーパントにリンなどを使用すると偏析によりリンなどがn型半導体側に移動するため、縮退の度合いを強めることが可能となる。また例えばシリコン酸化膜をパターニングするためにドライエッチやウエットエッチやベーパエッチなどを使用する。 For example, when phosphorus or the like is used as the dopant, phosphorus or the like moves to the n-type semiconductor side due to segregation, so that the degree of degeneracy can be increased. Further, for example, dry etch, wet etch, vapor etch and the like are used to pattern the silicon oxide film.
このためシリコンを酸化させることで支持部7を形成する場合には、電極間ギャップのばらつきを抑制することができ、電気エネルギーの発生量の安定化を実現することが容易となる。
Therefore, when the
また例えば第2の電極部24は、第1の金属2を含んでいてもよく、第1の金属2の仕事関数は、第1の電極部23の仕事関数と異なるものとする。第2の電極部24が第1の金属2を含むことで、n型半導体を縮退して形成された第1の電極部23との間の仕事関数の調整がしやすくなる。
Further, for example, the
また第1のセル10は、さらに第2の金属18を有してもよい。この場合、第1の電極部23は、縮退部4と、縮退部4に接して、一対の支持部7の間に設けられた第2の金属18と、を有し、第2の金属18の仕事関数は、第2の電極部24の仕事関数と異なる。
Further, the
第1の電極部23が第2の金属18を有することで第2の電極部24との間の仕事関数の調整がしやすくなる。また第1の電極部23が第2の金属18を有することで第1の電極部23と第2の電極部24との間の第1の方向Zにおける距離(以下、これを電極間ギャップと呼んでもよい)の調整がしやすくなる。
Since the
第1の方向Zにおける第1のセル10及び第2のセル11の厚さは例えば10μm以上1mm以下とする。第2の方向X又は第3の方向Yにおける第1のセル10及び第2のセル11の幅は例えば1mm〜500mm程度とし、用途に応じて任意に設定することができる。
The thickness of the
第1の電極部23は、例えば電子親和力が4.05eVであるn型シリコンを縮退させた縮退部4を含む。n型シリコンの仕事関数は電子親和力に加えてドーピングン濃度に依存する。第2の電極部24は、例えば仕事関数の値が約5.65eVである白金のような第1の金属2を含む。
The
発電素子1においては、仕事関数差を有する第1の電極部23と第2の電極部24との間に発生する、絶対温度による電子放出現象が利用される。このため、発電素子1は、第1の電極部23と第2の電極部24との間の温度差が小さい場合であっても熱エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。
In the
なお発電素子1は、第1の電極部23と第2の電極部24との間に温度差がない場合においても熱エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。また発電素子1は、第1の電極部23と第2の電極部24とにおいて、同一の熱源を用いる場合においても、熱エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。
The
第1の電極部23及び第2の電極部24の厚さは、第1の方向Zにおいて例えば10nm以上10μm以下であり、例えば10nm以上1μm以下が好ましい。また第1の電極部23及び第2の電極部24の幅は、第2の方向X又は第3の方向Yにおいて例えば100μm〜500mm程度とし、用途に応じて任意に設定することができる。
The thickness of the
電極間ギャップは、例えば1μm以下の有限値である。電極間ギャップはより好ましくは10nm以上100nm以下である。電極間ギャップを10nm以上100nm以下とすることで、発電素子1における電気エネルギーの発生量を増加させることができる。なお例えば電極間ギャップを10nm未満とした場合、ナノ粒子15が均等に分散された状態を維持できなくなる可能性が挙げられる。
The gap between the electrodes is, for example, a finite value of 1 μm or less. The gap between the electrodes is more preferably 10 nm or more and 100 nm or less. By setting the gap between the electrodes to 10 nm or more and 100 nm or less, the amount of electric energy generated in the
ここで図3を参照して中間部8の詳細について説明する。図3は、図2における領域Cの概念図である。中間部8は、例えば、第1の電極部23又は第2の電極部24から放出された電子eを、第2の電極部24又は第1の電極部23へと移動させる部分である。複数のナノ粒子15は、溶媒17内に分散される。中間部8は、例えば、ナノ粒子15が分散された溶媒17を、ギャップ部20内に充填することで得られる。
Here, the details of the
ナノ粒子15は例えば導電物を含み、ナノ粒子15の仕事関数の値は例えば第1の電極部23の仕事関数の値と、第2の電極部24の仕事関数の値との間にある。例えば複数のナノ粒子15は、3.0eV以上5.5eV以下の範囲内の仕事関数の値となる粒子を含む。
The
これにより、第1の電極部23と第2の電極部24との間に放出された電子eを、ナノ粒子15を介して、例えば、第1の電極部23から第2の電極部24へと移動させることができる。これにより、中間部8内にナノ粒子15がない場合と比較して、電気エネルギーの発生量を増加させることが可能となる。
As a result, the electrons e emitted between the
ナノ粒子15の材料としては、例えば金及び銀の少なくとも1つを選ぶことができる。なお中間部8は、第1の電極部23の仕事関数と、第2の電極部24の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子15を少なくとも一部含んでいればよい。したがって、ナノ粒子15の材料には、金及び銀以外の導電性材料を選ぶことも可能である。
As the material of the
ナノ粒子15の粒子径は、例えば2nm以上10nm以下とする。またナノ粒子15は、例えば、メジアン径のような平均粒径が3nm以上8nm以下の粒子径を有してもよい。平均粒径は、例えばレーザー回折散乱法を用いたMicrotracBEL製Nanotrac WaveII-EX150などの粒度分布計測器粒度分布計測器を用いることで測定することができる。
The particle size of the
ナノ粒子15は、その表面に、例えば絶縁膜16を有する。絶縁膜16の材料の例としては、絶縁性金属化合物及び絶縁性有機化合物の少なくとも1つを選ぶことができる。絶縁性金属化合物としては、例えばシリコン酸化物及びアルミナなどを挙げることができる。絶縁性有機化合物としては、例えばアルカンチオール(例えばドデカンチオール)などを挙げることができる。
The
絶縁膜16の厚さは、例えば20nm以下の有限値である。このような絶縁膜16をナノ粒子15の表面に設けておくと、電子eは、例えば第1の電極部23とナノ粒子15との間、及びナノ粒子15と第2の電極部24との間を、トンネル効果を利用して移動しやすくできる。
The thickness of the insulating
絶縁膜16が設けられた場合、例えば発電素子1の発電効率の向上が期待できる。このとき、例えば矢印に示すように、ナノ粒子15の移動を利用して、電子eの移動が促されてもよい。
When the insulating
溶媒17は、例えば沸点が60℃以上の液体とする。これにより、温度が室温以上となるような環境下において、発電素子1を用いた場合であっても、溶媒17の気化を抑制することができる。なお室温とは例えば15℃〜35℃とする。
The solvent 17 is, for example, a liquid having a boiling point of 60 ° C. or higher. As a result, the vaporization of the solvent 17 can be suppressed even when the
このように溶媒17を沸点が60℃以上の液体とすると、溶媒17の気化に伴う発電素子1の劣化を抑制することができる。液体の例としては、有機溶媒及び水の少なくとも1つを選ぶことができる。有機溶媒の例としては、メタノール、エタノール、トルエン、キシレン、テトラデカン、及びアルカンチオールなどを挙げることができる。溶媒17は、電気的抵抗値が高く、絶縁性である液体がよい。
When the solvent 17 is a liquid having a boiling point of 60 ° C. or higher as described above, deterioration of the
ここで発電素子1の動作について説明を行う。熱エネルギーが発電素子1に与えられると、第1の電極部23又は第2の電極部24から中間部8へと電子eが放出される。放出された電子eは、中間部8から第2の電極部24又は第1の電極部23へと移動する。この場合電流が、第1の電極部23及び第2の電極部24の間に流れる。このようにして、熱エネルギーが電気エネルギーに変換される。
Here, the operation of the
放出される電子eの量は、熱エネルギーに依存するほか、第1の電極部23の仕事関数と第2の電極部24の仕事関数との差に依存する。なお放出される電子eの量は、仕事関数が小さい材料ほど増加する傾向がある。
The amount of emitted electrons e depends not only on the thermal energy but also on the difference between the work function of the
移動する電子eの量は、例えば第1の電極部23と第2の電極部24との仕事関数の差を大きくすること、又は、電極間ギャップを小さくすることで増やすことができる。このため、発電素子1が発生させる電気エネルギーの量は、第1の電極部23と第2の電極部24との仕事関数の差を大きくすること、又は、電極間ギャップを小さくすることの少なくとも一方を行うことで増やすことができる。
The amount of moving electrons e can be increased, for example, by increasing the difference in work function between the
次に図5を用いて、第1のセル10及び第2の電極部24を積層する場合について説明を行う。図5は、本実施の形態による第1のセル10及び第2の電極部24を積層する場合を示す模式断面図である。
Next, a case where the
図5に示すように発電素子25は、第1のセル10及び第2の電極部24を有する第1の層26と第1のセル10及び第2の電極部24を有する第2の層27とを備える。第1の層26と第2の層27とは第1の方向Zにおいて積層され、第1の層26の第2の電極部24は、第2の層27のn型半導体の第1の面21とは逆側の面に含まれる縮退部6と接する。
As shown in FIG. 5, the
第1のセル10及び第2の電極部24を積層すると、余計な配線をせずに第1のセル10及び第2の電極部24を直列に接続することができるため、発電素子1の出力電圧を高くすることが容易となる。縮退部6と第2の電極部24との間にはショットキー障壁が生じず、縮退部6は、電気を通すために発電素子1への配線は不要となる。
When the
また第1の電極部23として機能する縮退部4へのイオンのドープ量を調整することで、PN接合を用いずとも、第1の電極部23と第2の電極部24との間における電流を制御することができる。
Further, by adjusting the doping amount of ions to the
次に発電素子1,25の製造方法の概要について図6を用いて説明を行う。図6は、本実施の形態による発電素子1,25の製造方法の概要を示すフローチャートである。例えば発電素子1を製造する図示せぬ製造装置は、n型半導体を含む第1のセル10の一部を縮退させた縮退部4を形成する(S1)。
Next, the outline of the manufacturing method of the
次に製造装置は、縮退部4を含む第1の電極部23を形成し(S2)、第1の電極部23を支持する支持部7を形成し(S3)、第1のセル10及び第2の電極部24を積層する(S4)。
Next, the manufacturing apparatus forms the
次に製造装置は、第1の電極部23の仕事関数と前記第2の電極部24の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含む中間部8を第1の電極部23と第2の電極部24との間に形成する(S5)。
Next, the manufacturing apparatus has the
次に発電素子1,25の製造方法の詳細な一例について図7を用いて説明を行う。図7は、本実施の形態による発電素子1,25の製造方法を示すフローチャートである。まず例えば製造装置は、第1のセル10を形成する。
Next, a detailed example of the manufacturing method of the
具体的には製造装置は、非縮退部30を含む基板12の第1の面21及び第1の面の反対側の面に対してイオンを注入するなどして縮退し(S11)、縮退部31,6を形成する。この際に縮退しない部分が非縮退部5として残る。なお後述のダイシングラインは縮退させない。
Specifically, the manufacturing apparatus degenerates by injecting ions into the
次に製造装置は、第1の面21に形成した縮退部31を酸化させ(S12)、酸化部32を形成する。基板12がシリコンの場合、酸化部32はシリコン酸化膜となる。なお製造装置は、縮退部31を酸化させる際にアニール処理を行う。次に製造装置は、第1の面21側の所定の領域にレジスト33を塗布する(S13)。
Next, the manufacturing apparatus oxidizes the
次に製造装置は、ドライエッチングによってレジスト33が塗布されていない酸化部32を削り支持部7を形成する(S14)。なおドライエッチングの際に、ダイシングを行うためのダイシングラインを、縮退部4に凹部を形成することで形成してもよい。次に製造装置は、レジスト33を除去する(S15)。
Next, the manufacturing apparatus scrapes the oxidized portion 32 to which the resist 33 is not applied by dry etching to form the supporting portion 7 (S14). At the time of dry etching, a dicing line for performing dicing may be formed by forming a recess in the
次に製造装置は、第1の面21とは反対側の面に第1の金属2を積層し、ダイシングすることで第1のセル10を形成する(S16)。第1の金属2は、例えば化学蒸着法や原子層堆積法などによって積層される。
Next, the manufacturing apparatus forms the
次に製造装置は、製造する発電素子1の設計上の出力電力を参照し、第1のセル10をまだ形成する必要がないか否かを判断する(S17)。製造装置が第1のセル10を形成する必要があると判断し、ステップS7での判断で否定結果を得ると(S17:NO)、製造装置は、ステップS1〜ステップS7を再度実行する。
Next, the manufacturing apparatus refers to the design output power of the
製造装置が第1のセルを作成する必要がないと判断し、ステップS7での判断で肯定結果を得ると(S17:YES)、製造装置は第2のセル11の形成を開始する。まず製造装置は、非縮退部30を含む基板12の第1の面21及び第1の面の反対側の面に対してイオンを注入するなどしてn型に縮退し(S18)、縮退部4,6を形成する。この際に縮退しない部分が非縮退部5として残る。
When the manufacturing apparatus determines that it is not necessary to create the first cell and obtains an affirmative result in the determination in step S7 (S17: YES), the manufacturing apparatus starts forming the
次に製造装置は、第1の面21とは反対側の面に第1の金属2を積層し、ダイシングすることで第2のセル11を形成する(S19)。第1の金属2は、例えば化学蒸着法や原子層堆積法などによって積層される。
Next, the manufacturing apparatus forms the
次に製造装置は、第1のセル10及び第2のセル11を例えばプラズマ接合によって積層し、中間部8を例えば毛細管現象を利用して形成する(S20)。第1のセル10が複数ある場合には、発電素子25が製造され、第1のセル10が1つの場合には発電素子1が作成される。
Next, in the manufacturing apparatus, the
なお第1のセルの形成において、第1の金属2を積層するタイミングは、ドライエッチングの前でもよいものとする。また第2のセルの作において第1の金属2を縮退部4側にも積層してもよいものとする。
In the formation of the first cell, the timing of laminating the
ステップS11,S15は、ステップS1,S2の具体例であって、ステップS12〜S14はステップS3の具体例である。S18,S19は第2の電極部24を作成する工程であって、ステップS18〜S20はステップS4,S5の具体例である。
Steps S11 and S15 are specific examples of steps S1 and S2, and steps S12 to S14 are specific examples of step S3. S18 and S19 are steps for producing the
(他の実施の形態)
上述の実施の形態においては、第1の電極部23は、n型シリコンを縮退させた縮退部4を含み、第2の電極部24は、白金のような第1の金属2を含むとしたが本発明はこれに限らない。
(Other embodiments)
In the above-described embodiment, the
第1の電極部23と第2の電極部24との間に仕事関数差が生じればよいため、第1の電極部23の材料及び第2の電極部24の材料は、例えば白金、タングステン、アルミニウム、チタン、ニオブ、モリブデン、タンタル及びレニウムなどの金属でもよい。
Since it is sufficient that a work function difference occurs between the
第1の電極部23の材料及び第2の電極部24の材料は、金属の他にも、合金、金属間化合物及び金属元素と非金属元素とが化合したものである例えば六ホウ化ランタンなどの金属化合物でもよい。
In addition to metals, the material of the
また第1の電極部23の材料及び第2の電極部24の材料は、n型シリコンやp型シリコンや例えばグラフェンのようなカーボン系材料のような非金属導電物であってもよい。また第1の電極部23の材料及び第2の電極部24の構造は、単層構造ではなく積層構造でもよい。
Further, the material of the
また上述の実施の形態においては、ギャップ部20内に溶媒17を充填する場合について述べたが本発明はこれに限らず、図8に示すようにギャップ部20内は空隙部40となっていてもよい。図8は、他の実施の形態による図2における領域Cの概念図である。
Further, in the above-described embodiment, the case where the solvent 17 is filled in the
中間部8が、溶媒17を含まずナノ粒子15のみを含む場合、発電素子1を高温の環境下で用いる際においても溶媒17の気化を考慮する必要がなくなる。これにより、高温の環境下における発電素子1の劣化を抑制することが可能となる。
When the
また上述した発電素子1及び発電装置100は、例えば電子機器に搭載することが可能である。以下、電子機器の実施の形態のいくつかを説明する。
Further, the
図9(a)〜図9(d)は、発電素子1を備えた電子機器500の例を示す模式ブロック図である。図9(e)〜図9(h)は、発電素子1を含む発電装置100を備えた電子機器500の例を示す模式ブロック図である。
9 (a) to 9 (d) are schematic block diagrams showing an example of an
図9(a)に示すように、電子機器500(エレクトリックプロダクト)は、電子部品501(エレクトロニックコンポーネント)と、主電源502と、補助電源503と、を備えている。電子機器500及び電子部品501のそれぞれは、電気的な機器(エレクトリカルデバイス)である。
As shown in FIG. 9A, the electronic device 500 (electric product) includes an electronic component 501 (electronic component), a
電子部品501は、主電源502を電源に用いて駆動される。電子部品501の例としては、例えばCPU、モータ、センサ端末及び照明などを挙げることができる。電子部品501が、例えばCPUである場合、電子機器500には、内蔵されたマスタ(CPU)によって制御可能な電子機器が含まれる。
The
電子部品501が、例えばモータ、センサ端末及び照明等の少なくとも1つを含む場合、電子機器500には、外部にあるマスタ又は人によって制御可能な電子機器が含まれる。
When the
主電源502は、例えば電池である。電池には充電可能な電池も含まれる。主電源502のプラス端子(+)は、電子部品501のVcc端子(Vcc)と電気的に接続される。主電源502のマイナス端子(−)は、電子部品501のGND端子(GND)と電気的に接続される。
The
補助電源503は、発電素子1である。発電素子1は、上述した発電素子1の少なくとも1つを含む。発電素子1の一端は、電子部品501のGND端子(GND)、又は主電源502のマイナス端子(−)、又はGND端子(GND)とマイナス端子(−)とを接続する配線と、電気的に接続される。
The
発電素子1の他端は、電子部品501のVcc端子(Vcc)、又は主電源502のプラス端子(+)、又はVcc端子(Vcc)とプラス端子(+)とを接続する配線と、電気的に接続される。
The other end of the
電子機器500において、補助電源503は、例えば主電源502と併用され、主電源502をアシストするための電源や、主電源502の容量が切れた場合、主電源502をバックアップするための電源として使うことができる。主電源502が充電可能な電池である場合には、補助電源503は、さらに、電池を充電するための電源としても使うことができる。
In the
図9(b)に示すように、主電源502は、発電素子1とされてもよい。発電素子1の一端は、電子部品501のGND端子(GND)と電気的に接続される。発電素子1の他端は、電子部品501のVcc端子(Vcc)と電気的に接続される。
As shown in FIG. 9B, the
図9(b)に示す電子機器500は、主電源502として使用される発電素子1と、発電素子1を用いて駆動されることが可能な電子部品501と、を備えている。発電素子1は、例えばオフグリッド電源のような独立した電源である。
The
このため、電子機器500は、例えば自立型(以下、これをスタンドアローン型と呼んでもよい)にできる。しかも、発電素子1は、環境発電型(以下、これをエナジーハーベスト型と呼んでもよい)である。図9(b)に示す電子機器500は、電池の交換が不要である。
Therefore, the
図9(c)に示すように、電子部品501が発電素子1を備えていてもよい。発電素子1の一端は、例えば、図示せぬ回路基板のGND配線と電気的に接続される。発電素子1の他端は、例えば回路基板のVcc配線と電気的に接続される。この場合、発電素子1は、電子部品501の、例えば補助電源503として使うことができる。
As shown in FIG. 9C, the
図9(d)に示すように、電子部品501が発電素子1を備えている場合、発電素子1は、電子部品501の、例えば主電源502として使うことができる。図9(e)〜図9(h)のそれぞれに示すように、電子機器500は、発電装置100を備えていてもよい。発電装置100は、電気エネルギーの源として発電素子1を含む。
As shown in FIG. 9D, when the
図9(d)に示した実施の形態は、電子部品501が主電源502として使用される発電素子1を備えている。同様に、図9(h)に示した実施の形態は、電子部品501が主電源として使用される発電装置100を備えている。
The embodiment shown in FIG. 9D includes a
これらの実施の形態では、電子部品501が、独立した電源を持つ。このため電子部品501を、例えば自立型とすることができる。自立型の電子部品501は、例えば複数の電子部品を含み、かつ、少なくとも1つの電子部品が別の電子部品と離れているような電子機器に有効に用いることができる。
In these embodiments, the
このような電子機器500として例えばセンサが挙げられる。センサは、センサ端末(スレーブ)と、センサ端末から離れたコントローラ(マスタ)と、を備えている。センサ端末及びコントローラのそれぞれは、電子部品501である。
Examples of such an
センサ端末が、発電素子1又は発電装置100を備えていれば、自立型のセンサ端末となり、有線での電力供給の必要がない。発電素子1又は発電装置100は環境発電型であるので、電池の交換も不要である。
If the sensor terminal includes the
センサ端末は、電子機器500の1つと見なすこともできる。電子機器500と見なされるセンサ端末には、センサのセンサ端末に加えて、例えばIoTワイヤレスタグなどがさらに含まれる。
The sensor terminal can also be regarded as one of the
図9(a)〜図9(h)のそれぞれに示した実施の形態において共通することは、電子機器500は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する発電素子1と、発電素子1を電源に用いて駆動されることが可能な電子部品501と、を含むことである。
What is common to the embodiments shown in FIGS. 9 (a) to 9 (h) is that the
電子機器500は、独立した電源を備えた自律型(以下、これをオートノマス型と呼んでもよい)であってもよい。自律型の電子機器の例は、例えばロボットなどを挙げることができる。
The
さらに発電素子1又は発電装置100を備えた電子部品501は、独立した電源を備えた自律型であってもよい。自律型の電子部品として、例えば可動センサ端末などを挙げることができる。
Further, the
以上本発明の実施の形態のいくつかを説明したが、これらの実施の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。例えばこれらの実施の形態は、適宜組み合わせて実施することが可能である。 Although some of the embodiments of the present invention have been described above, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. For example, these embodiments can be combined as appropriate.
また本発明は、上記いくつかの実施の形態の他、様々な新規な形態で実施することができる。したがって、上記いくつかの実施の形態のそれぞれは、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更が可能である。 Further, the present invention can be implemented in various novel embodiments in addition to the above-mentioned several embodiments. Therefore, each of the above-described embodiments can be omitted, replaced, or modified in various ways without departing from the gist of the present invention.
このような新規な形態や変形は、この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、及び特許請求の範囲に記載された発明の均等物の範囲に含まれる。 Such novel forms and modifications are included in the scope and gist of the present invention, as well as in the scope of the invention described in the claims and the equivalent of the invention described in the claims.
1,25……発電素子、2……第1の金属、3……封止部材、4,6……縮退部、5……非縮退部、7……支持部、8……中間部、10……第1のセル、11……第2のセル、12……基板、15…ナノ粒子、16……絶縁膜、18……第2の金属、20……ギャップ部、21……第1の面、23……第1の電極部、24……第2の電極部。
1,25 ... Power generation element, 2 ... First metal, 3 ... Sealing member, 4, 6 ... Degenerate part, 5 ... Non-degenerate part, 7 ... Support part, 8 ... Middle part, 10 ... 1st cell, 11 ... 2nd cell, 12 ... substrate, 15 ... nanoparticles, 16 ... insulating film, 18 ... second metal, 20 ... gap part, 21 ...
Claims (8)
縮退していないn型半導体である非縮退部と、前記n型半導体の第1の面に設けられた第1の電極部と、前記第1の電極部を支持する支持部と、を有する第1のセルと、
前記第1の面と第1の方向において対向し、前記第1の電極部と離間し、前記第1の電極部とは異なる仕事関数を有する第2の電極部と、
前記第1の電極部と前記第2の電極部との間に設けられ、前記第1の電極部の仕事関数と前記第2の電極部の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含む中間部と、
を備え、
前記第1の電極部は、前記n型半導体が縮退した縮退部を含む、
発電素子。 A power generation element that converts thermal energy into electrical energy.
A first having a non-degenerate portion which is a non-degenerate n-type semiconductor, a first electrode portion provided on the first surface of the n-type semiconductor, and a support portion for supporting the first electrode portion. 1 cell and
A second electrode portion that faces the first surface in the first direction, is separated from the first electrode portion, and has a work function different from that of the first electrode portion.
Nanoparticles provided between the first electrode portion and the second electrode portion and having a work function between the work function of the first electrode portion and the work function of the second electrode portion. Including middle part and
With
The first electrode portion includes a degenerate portion in which the n-type semiconductor is degenerated.
Power generation element.
前記第1の金属の仕事関数は、前記第1の電極部の仕事関数よりも大きい、
請求項1に記載の発電素子。 The second electrode portion contains the first metal and contains the first metal.
The work function of the first metal is larger than the work function of the first electrode portion.
The power generation element according to claim 1.
前記第1の電極部は、前記縮退部と前記縮退部に接して、一対の前記支持部の間に設けられた前記第2の金属とを有し、
前記第2の金属の仕事関数は、前記第2の電極部の仕事関数よりも小さい、
請求項1に記載の発電素子。 The first cell further comprises a second metal.
The first electrode portion has the degenerate portion and the second metal provided between the pair of support portions in contact with the degenerate portion.
The work function of the second metal is smaller than the work function of the second electrode portion.
The power generation element according to claim 1.
前記第1のセル及び前記第2の電極部を有する第2の層と、
を備え、
前記第1の層と前記第2の層とが前記第1の方向において積層され、前記第1の層の前記第2の電極部は、前記第2の層の前記n型半導体の前記第1の面とは逆側の面に含まれる縮退部と接する、
請求項1に記載の発電素子。 A first layer having the first cell and the second electrode portion, and
A second layer having the first cell and the second electrode portion,
With
The first layer and the second layer are laminated in the first direction, and the second electrode portion of the first layer is the first of the n-type semiconductor of the second layer. In contact with the degenerate part contained in the surface opposite to the surface of
The power generation element according to claim 1.
前記発電素子は、
縮退していないn型半導体である非縮退部と、
前記n型半導体の第1の面に設けられた第1の電極部と、
前記第1の電極部を支持する支持部と、
を有する第1のセルと、
前記第1の面と第1の方向において対向し、前記第1の電極部と離間し、前記第1の電極部とは異なる仕事関数を有する第2の電極部と、
前記第1の電極部と前記第2の電極部との間に設けられ、前記第1の電極部の仕事関数と前記第2の電極部の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含む中間部と、
を備え、
前記第1の電極部は、前記n型半導体が縮退した縮退部を含む、
発電装置。 A power generation device equipped with a power generation element that converts thermal energy into electrical energy.
The power generation element is
The non-degenerate part, which is an n-type semiconductor that is not degenerate,
A first electrode portion provided on the first surface of the n-type semiconductor and
A support portion that supports the first electrode portion and a support portion that supports the first electrode portion
The first cell with
A second electrode portion that faces the first surface in the first direction, is separated from the first electrode portion, and has a work function different from that of the first electrode portion.
Nanoparticles provided between the first electrode portion and the second electrode portion and having a work function between the work function of the first electrode portion and the work function of the second electrode portion. Including middle part and
With
The first electrode portion includes a degenerate portion in which the n-type semiconductor is degenerated.
Power generator.
前記発電素子は、
縮退していないn型半導体である非縮退部と、
前記n型半導体の第1の面に設けられた第1の電極部と、
前記第1の電極部を支持する支持部と、
を有する第1のセルと、
前記第1の面と第1の方向において対向し、前記第1の電極部と離間し、前記第1の電極部とは異なる仕事関数を有する第2の電極部と、
前記第1の電極部と前記第2の電極部との間に設けられ、前記第1の電極部の仕事関数と前記第2の電極部の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含む中間部と、
を備え、
前記第1の電極部は、前記n型半導体が縮退した縮退部を含む、
電子機器。 An electronic device including a power generation element that converts thermal energy into electrical energy and an electronic device that can be driven by using the power generation element as a power source.
The power generation element is
The non-degenerate part, which is an n-type semiconductor that is not degenerate,
A first electrode portion provided on the first surface of the n-type semiconductor and
A support portion that supports the first electrode portion and a support portion that supports the first electrode portion
The first cell with
A second electrode portion that faces the first surface in the first direction, is separated from the first electrode portion, and has a work function different from that of the first electrode portion.
Nanoparticles provided between the first electrode portion and the second electrode portion and having a work function between the work function of the first electrode portion and the work function of the second electrode portion. Including middle part and
With
The first electrode portion includes a degenerate portion in which the n-type semiconductor is degenerated.
Electronics.
n型半導体を含む第1のセルの一部を縮退させた縮退部を形成し、
前記縮退部を含む第1の電極部を形成し、
前記第1の電極部を支持する支持部を形成し、
前記第1のセル及び第2の電極部を積層し、
前記第1の電極部の仕事関数と前記第2の電極部の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含む中間部を前記第1の電極部と前記第2の電極部との間に形成する、
発電素子の製造方法。 A method of manufacturing a power generation element that converts thermal energy into electrical energy.
A degenerate portion is formed by degenerating a part of the first cell containing the n-type semiconductor.
A first electrode portion including the degenerate portion is formed, and the first electrode portion is formed.
A support portion that supports the first electrode portion is formed, and a support portion is formed.
The first cell and the second electrode portion are laminated, and the first cell and the second electrode portion are laminated.
An intermediate portion containing nanoparticles having a work function between the work function of the first electrode portion and the work function of the second electrode portion is provided between the first electrode portion and the second electrode portion. Form to
Manufacturing method of power generation element.
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