JP2022002316A - ナノ設計多孔性網目構造材料を使用し、エネルギー変換器として固体デバイスを使用する前平衡システムおよび方法 - Google Patents

Abstract

【課題】様々なエネルギー形態を電気に変換するエネルギー変換デバイスを提供する。【解決手段】化学的、光起電力又は熱勾配であるエネルギー形態を電気に変換するエネルギー変換器５００は、上部電極５３０と、下部電極５３５と、、多孔性半導体又は誘電体層５１５がその上に置かれた平面基板５２５と、を備える。平面基板自体は、平面、二次元又は三次元であってもよく、内面及び外面を有する。また、基板は、リジッド、フレキシブル及び／又は折り曲げ可能であってもよい。多孔性半導体又は誘電体層は、ナノ設計構造を有し、多孔性導体材料が少なくともいくらか多孔性半導体又は誘電体層のナノ設計構造に入り、それによって絡み合い領域５１０を形成するように、三次元多孔性触媒／導体層５０５が多孔性半導体又は誘電体層の少なくとも一部の上に配置される。【選択図】図５ａ

Description

本特許文書は一般的に、エネルギー変換システムに関し、より詳しくは、ナノワイヤー配列もしくはナノ設計構造、またはナノ粒子、またはコロイドペーストのような多孔性材料網目構造、を備える平面または三次元表面を有する固体発電機を使用して電力、放射線ビームまたは機械運動を生成するための方法およびシステムに関する。

化学エネルギーおよびその他のエネルギー形態を電気に変換するための固体発電機の使用は、近年、例えば、特許文献１〜８に説明されるように明らかにされている。特許文献１〜８は、これによりそれらの全体が参照によって本願明細書に組み入れられる。このようなエネルギー変換デバイスは、化学エネルギーおよびその他のエネルギー形態を効率的に変換する。例えば、本明細書の図１は、このようなデバイスの特性を示すグラフと共に固体発電機を示す。本明細書の図１−Ａの断面に示されるように、電荷キャリア、通常、電子ｅ^-は、エナジャイザー１２Ａによって導電性表面１０Ａ上または近傍で励起される。電荷キャリアは、例えば、化学反応または他のエネルギー形態によって励起される。それぞれの場合において、電荷キャリアが半導体の伝導帯に注入される。例えば、電荷キャリアが導体１０Ａから半導体または誘電体１１Ａに弾道的に移動する。導体１０Ａは非常に薄いので、他の電子、フォノンまたは原子と衝突することによって著しいエネルギーを失うことなく、電子は弾道的にそれを通って効率的に移動する。半導体の伝導帯と導体または導電性触媒のフェルミ準位との間にエネルギーオフセットが存在するので、結果として、電圧１４Ａが正極端子１７Ａおよび負極端子１６Ａの間にかかる。図１−Ａにおいて、誘電体接合１５Ａは、図１−Ｂの１１Ｂとして示される、電子の弾道的運動を妨げる傾向がある電圧障壁を作るように特に選択される半導体接合である。図１−Ｂは、ゼロバイアスでデバイスに沿う距離の関数としてデバイスの電気ポテンシャルを示す。

電圧障壁は、多くの方法、例えば、図１−Ｃに示されるショットキー障壁、図１−Ｄのｐ−ｎ接合、または図１−Ｅの導体−誘電体−導体接合のいずれか１つで形成することができる。誘電体は電気的に導電性である。順方向バイアスダイオードは、このエネルギー変換デバイスを実行する最も簡単な方法の１つを提供する。図１−Ｃは、正極端子が導体／金属である順方向バイアスショットキーダイオードを示す。

米国特許第６，１１４，６２０号明細書 米国特許第６，２１８，６０８号明細書 米国特許第６，２２２，１１６号明細書 米国特許第６，２６８，５６０号明細書 米国特許第６，３２７，８５９号明細書 米国特許第６，６４９，８２３号明細書 米国特許第７，３７１，９６２号明細書 米国特許第７，６６３，０５３号明細書

本特許文書は、平面二次元基板上または三次元基板上にあり得る新規な三次元デバイス構造を有する様々な実施形態を説明する。二次元または三次元基板は、リジッドまたはフレキシブル／折り畳み可能であり得る。様々な実施形態は、デバイスの二次元の単位面積当たり生成され得る電力（すなわち、電気）の量を増加させることによって先行の固体発電機を改良する。本明細書に記載される新規なデバイス構造は固体接合を有する。これらのデバイス構造は、固体接合を形成する多孔性半導体または誘電体ならびに導体および／または触媒のナノクラスターを備える。複合システムにボイドがあっても、例として、異なった多孔性半導体／導体または導電性触媒材料が統合システムであり得るし、または材料は、網目構造として物理的に接続されてもよい。材料がナノサイズのクラスターを形成する時にナノクラスターが存在する。固体接合は、ショットキーダイオードまたはｐ−ｎ接合であり得るが、これらに限定されない。また、電気または他のエネルギー形態を生成するための開示されたデバイス構造を製造する方法／プロセスが開示される。

化学エネルギーを電気または他のエネルギー形態に変換するためのエネルギー変換デバイスが開示される。エネルギー変換デバイスの第１の態様は、基板に接続される第１の電極を備える。多孔性半導体（または誘電体）層は、基板の上に配置され、基板と多孔性半導体（または誘電体）層の間には、非孔質半導体（または誘電体）層があってもよい。多孔性半導体層はナノ設計構造を有する。多孔性触媒材料が多孔性半導体（または誘電体）層の少なくとも一部の上に配置される。多孔性触媒材料の少なくともいくらかは多孔性半導体層のナノ設計構造に入って、それが絡み合い領域を形成する。第２の電極が存在し、燃料、多孔性触媒材料、および多孔性半導体層の間の化学反応中に電気ポテンシャルが第１の電極と第２の電極との間に形成される。また、固体発電機から熱を除去するヒートシンクが存在し、このヒートシンクは周囲温度よりも高いヒートシンク温度を有する。

本明細書に開示される別の態様において、エネルギー変換デバイスの基板は三次元表面を形成するためにパターン化され、それによって化学反応のための増加した表面積を提供する。

本明細書に開示される別の態様において、エネルギー変換デバイスの基板はナノワイヤーが形成されるようにパターン化される。

本明細書に開示される別の態様において、エネルギー変換デバイスの基板は山部と谷部が形成されるようにテクスチャー化される。

本明細書に開示される別の態様において、エネルギー変換デバイスは基板と多孔性半導体層との間に非孔質半導体層を有する。

本明細書に開示される別の態様において、エネルギー変換デバイスの基板は二次元であり平面である。

本明細書に開示される別の態様において、エネルギー変換デバイスの基板は三次元であり内面および外面を備える。

本明細書に開示される別の態様において、エネルギー変換デバイスの基板はリジッドである。

本明細書に開示される別の態様において、エネルギー変換デバイスの基板はフレキシブルである。

本明細書に開示される別の態様において、エネルギー変換デバイスの基板は折り畳み可能である。

本明細書に開示される別の態様において、固体接合はショットキーダイオードである。

本明細書に開示される別の態様において、固体接合はｐ−ｎ接合である。

本明細書に開示される別の態様において、固体接合は導体−誘電体、誘電体−誘電体、導体−誘電体−導体、または誘電体−導体−誘電体接合である。

本明細書に開示される別の態様において、多孔性半導体層は、結晶、多結晶、または多孔性のＴｉＯ₂、ＳｒＴｉＯ₃、ＢａＴｉＯ₃、Ｓｒ．ｓｕｂ．１３ｘ−Ｂａ＿ｙ−ＴｉＯ＿ｚ、炭化ホウ素、ＬｉＮｉＯ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＺｎＯ、およびＬａＳｒＶＯ₃、ならびにＰＴＣＤＡ、すなわち、３，４，９，１０−ペリレンテトラカルボン酸−二無水物を含む有機半導体を含む材料の群から選択される半導体材料を備える。

本明細書に開示される別の態様において、ナノスケールの導体クラスターは多孔性半導体層の上の不連続な多孔性範囲を有する。

本明細書に開示される別の態様において、導体層は複数のナノスケールのクラスターを備える。

本明細書に開示される別の態様において、ナノスケールのクラスターが触媒を備える。

本明細書に開示される別の態様において、１以上のエネルギー変換デバイスは、電気的に直列に、電気的に並列に、または直列および並列の組合せで接続される。

本明細書に開示される別の態様において、１以上のエネルギー変換デバイスは、熱的に直列に、熱的に並列に、または直列および並列の組合せで接続される。

本明細書に開示される別の態様において、エネルギー変換システムは、トンネリング寸法よりも大きい寸法を有する１以上のエネルギー変換デバイスの活性表面上にバスバーを備える。

化学反応エネルギー、光起電力または熱勾配によって固体発電機にエネルギーを与えることができ、それをリジッド基板上またはフレキシブル／折り畳み可能基板上に製造することができる。化学反応エネルギーから機械運動を生成するデバイスは、作動液をナノ設計構造物の反応しない側と接触させて配置することからなり、この液にかかる一方向の力を強化するように導体／触媒とナノ設計構造物との両方の表面が機械的に形成される。また、ナノチューブなどの他の方法を使用して、機械エネルギーに変換してもよい。装置は、反応生成物のエネルギーのかなりの部分を、このような生成物がそれらの環境と平衡する前の短時間の間に有用な仕事に変換する。本発明は、放出されたエネルギーの形態によって、熱平衡が達せられる前に触媒の表面上で起こる化学反応から電気エネルギーまたは機械エネルギーまたはコヒーレント放射を抽出することに関する。

添付した図面は、本明細書の一部として含まれ、様々な実施形態を説明し、上記の一般的な説明および以下に示される実施形態の詳細な説明とともに本明細書に記載される原理を説明および教示するのに役立つ。

固体発電機を示す。 デバイスの一番上の表面からの距離に対する位置エネルギーのグラフを示し、固体接合のポテンシャル障壁の効果を示す。 ショットキー障壁を有する例示的な固体発電機内のデバイスの一番上の表面からの距離に対する電位のグラフを示す。 ｐ−ｎ接合ポテンシャル障壁を有する例示的な固体発電機内のデバイスの一番上の表面からの距離に対する電位のグラフを示す。 導体−誘電体−導体ポテンシャル障壁を有する例示的な固体発電機内のデバイスの一番上の表面からの距離に対する電位のグラフを示す。 導体および／または触媒−半導体境界面のエネルギーバンド図を示す。 ＥＭＦ生成機構の概略図を示す。 導電性触媒網目構造であり得る、導体および／または触媒を有するナノワイヤー材料配列の一部の断面略図を示す。 平面二次元基板上の別の多孔性半導体または誘電体三次元層と三次元的に絡み合う導電性触媒三次元層であり得る多孔性導体および／または触媒からなる、三次元多孔性網目構造の断面図を示す。上記の平面基板と多孔性三次元層／網目構造との間に非孔質中間層を任意選択により挿入することができる。 別の多孔性半導体または誘電体三次元層と三次元的に絡み合う導電性触媒三次元層であり得る多孔性導体および／または触媒からなる、三次元多孔性網目構造の顕微鏡断面図である。 別の多孔性半導体または誘電体三次元層と三次元的に絡み合う導電性触媒三次元層であり得る多孔性導体および／または触媒からなる、三次元多孔性網目構造を有するエネルギー変換器の上面顕微鏡画像である。 平面基板上に導電性触媒であり得る三次元多孔性導体および／または触媒と三次元多孔性半導体または誘電体網目構造との複数層を有するマルチセルデバイス構造を有するエネルギー変換器を示す。上記の平面二次元基板と多孔性三次元層／網目構造との間に非孔質中間層を挿入するかまたは挿入しないことが可能である。 三次元基板上の多孔性導体および／または導電性触媒であり得る触媒ならびに多孔性半導体または誘電体のパターン化された三次元網目構造を有する例示的なエネルギー変換器を示し、そこで内面および外面は、多孔性導体および／または導電性触媒であり得る触媒層／網目構造と三次元的に絡み合う多孔性半導体または誘電体層／網目構造で覆われる。また、任意の非孔質層を三次元基板と三次元多孔性半導体または誘電体層／網目構造との間に挿入することができる。 三次元基板上の多孔性導体および／または導電性触媒であり得る触媒ならびに多孔性半導体または誘電体の三次元多孔性基板／支持層（部分的または完全）網目構造を有する例示的なエネルギー変換器を示し、そこで内面および外面は、多孔性導体および／または導電性触媒であり得る触媒層／網目構造と三次元的に絡み合う多孔性半導体または誘電体層／網目構造で覆われる。また、任意の非孔質層を三次元基板と三次元多孔性半導体または誘電体層／網目構造との間に挿入することができる。 三次元基板上の多孔性導体および／または導電性触媒であり得る触媒ならびに多孔性半導体または誘電体のテクスチャー化された三次元網目構造を有する例示的なエネルギー変換器を示し、そこで内面および外面は、多孔性導体および／または導電性触媒であり得る触媒層／網目構造と三次元的に絡み合う多孔性半導体または誘電体層／網目構造で覆われる。また、任意の非孔質層を三次元基板と三次元多孔性半導体または誘電体層／網目構造との間に挿入することができる。 図９ａのような三次元テクスチャー化基板上の例示的な三次元エネルギー変換器の断面の顕微鏡画像である。 図９ａのような三次元テクスチャー化基板上の例示的な三次元エネルギー変換器の上面からみた顕微鏡画像である。 ヒートシンクに接続された例示的なエネルギー変換器を示す。 熱的におよび電気的に接続された第１および第２エネルギー変換器を示し、第１および第２変換器は、同一のまたは異なるエネルギー源によって励起されてもよい。 熱的におよび電気的に接続された第１および第２エネルギー変換器を示し、第１および第２変換器は、同一のまたは異なるエネルギー源によって励起されてもよい。 熱的におよび電気的に接続された複数の例示的なエネルギー変換器を示す。 前平衡の弾道屈折変換器組立体が付けられる最も冷たい側（構造の内側）から最も熱い側（構造の外側）への反応体および冷却剤流を示す例示的な断面を示す。 支持基板上に固体エネルギー変換器組立体と一緒に形成された不活性スペーサーを示す例示的な断面を示す。 支持基板上のスペーサーおよび固体エネルギー変換器組立体の例示的な断面詳細図を示す。 固体エネルギー変換器組立体を備える基板の積層を示し、積層された要素間の空間に反応体、冷却および排出流を示す、例示的な断面を示す。 支持構造の表面にわたって電気的に直列に接続された固体エネルギー変換器組立体を示す例示的な断面を示す。 支持構造を通っておよび構造上の固体エネルギー変換器組立体の周りに流れる反応体および冷却剤を有する基板を示す例示的な断面を示す。 固体エネルギー変換器と巻き上げられるスペーサーとを備える例示的な表面を示し、このロールを通して反応体および冷却剤を流れさせる。 触媒反応によって放出されたエネルギーを機械的作用に変換するためのデバイスの例示的な実施形態の断面を示す。 圧電的に電気を生成するためのデバイスの例示的な実施形態の断面を示す。 本発明に従って電気または放射線ビームを生成するための形態の例示的な実施形態を示す。

実施および要素の組合せの様々の新規な詳細を含む、本明細書に記載される上記のおよびその他の好ましい特徴は、添付した図面を参照してより詳しく説明され、請求の範囲において示される。特定の方法および装置は実例としてのみ示され、請求の範囲の制限として示されるのではないことは理解されよう。当業者によって理解されるように、請求の範囲から逸脱せずに本明細書の教示の原理および特徴を様々なおよび多数の実施形態において使用することができる。

電気を生成するためのおよびまたは他のエネルギー形態に変換するための方法および装置が説明される。本明細書に開示された特徴および教示の各々を別々にまたは他の特徴および教示と共に利用することができる。多くのこれらの付加的な特徴および教示を別々におよび組み合わせての両方で利用する代表的な実施例は、添付された図面を参照してさらに詳細に説明される。この詳細な説明は、本教示の好ましい態様を実施するためのさらなる詳細を当業者に教示することを意図するにすぎず、請求の範囲を限定することを意図するものではない。従って、以下の詳細な説明において開示される特徴の組合せは、最も広い意味において教示を実施するために必要でない場合があり、代わりに、本教示の特に代表的な実施例を詳細に説明するためにだけ教示される。

以下の説明において、説明目的のためにだけ、本明細書に記載される様々な実施形態の完全な理解を提供するために特定の専門用語が示される。しかしながら、本明細書に記載される概念を実施するためにこれらの特定の詳細が必要とされないことは当業者には明白である。

さらに、本教示のさらに別の有用な実施形態を提供するために代表的な実施例および従属クレームの様々な特徴が具体的かつ明示的に列挙されないやり方で組合せられてもよい。また、最初の開示の目的のために、ならびにクレームされた主題を制限する目的のために、全ての値の範囲または実体のグループの表示はあらゆる可能な中間値または中間実体を開示することに特に留意されたい。また、図面に示される構成要素の寸法および形状は、本教示が実施される方法を理解するのに役立つように設計されるが、実施例に示される寸法および形状を限定することを意図しないことに特に留意されたい。

さらに別の実施形態は固体変換器を熱的に並列におよび／または直列に接続し、そしてそれらを電気的に並列におよび／または直列に接続する。接続された変換器は並列におよび／または直列にさらに接続される。熱的接続は電気接続から物理的に区別され得る。エネルギー源および熱源は、特有の、空間的に不均一な温度分布、一時的に散発的かつ一定でないエネルギー爆発を含み、様々な領域が不均一な熱流量を示してもよい。

本明細書に記載される様々な実施形態は、異なったエネルギー形態を電気または他のエネルギー形態に変換する固体デバイスである。本明細書に記載される同様の電子輸送機構を使用する先行デバイスの制限要因は、デバイスの単位二次元面積当たりの電力を生じる表面積であった。本明細書に記載される様々な実施形態は、固体エネルギー変換デバイスの表面積を、このようなデバイスの二次元面積を著しく増加させずに増加させることによってこれらの問題を克服する。

励起方法には、化学反応エネルギーの使用、光起電力法、伝搬および／またはエバネセント電磁波の使用、電気クーロン結合の使用、熱流および対応する熱勾配の使用、ソーラーエナジャイザーの使用、地熱、摩擦、および核熱源などの熱源の使用、核励起の使用、ｉｎ−ｓｉｔｕ電離放射線の使用、放射性廃棄物放射線の使用、フレームヒーターおよび触媒ヒーターの使用、熱電効果及びゼーベック効果の使用、および圧電励起の使用などが含まれる。

本明細書に記載される、例えば、図４−９のデバイス構造および方法／プロセスには、（ａ）ナノワイヤー、ナノファイバー、またはナノチューブ、（ｂ）相互接続壁および細孔を有する多孔性ナノ設計構造、および（ｃ）浸透網目構造を有する多孔性ナノ設計構造が含まれるが、これらに限定されない。製造方法／プロセスには、多孔性構造または／およびナノ設計構造をもたらす直接フィルム成長が含まれるが、これに限定されない。このようなデバイスを製造する方法には、（ｉ）汚染酸化およびエッチング、（ｉｉ）乾式および／または湿式酸化およびエッチング、（ｉｉｉ）電気化学酸化およびエッチング、（ｉｖ）正極酸化の酸化およびエッチング、（ｖ）マイクロアーク酸化およびエッチング、溶媒、ペースト、またはコロイド中の半導体、誘電体、金属、導体、および／または導電性触媒であり得る触媒のナノ粒子、金属塩、および（ｖｉ）ゾルゲル法が含まれるが、これらに限定されない。例えば、シリコンのような、特定の半導体および誘電体については、材料に多孔率およびナノ設計構造を導入するこれら全ての製造方法／プロセスのためにエッチングだけが必要とされる。

特定の実施形態において、平面二次元基板または三次元基板上で、１つのユニット／網目構造に一体化された、多孔性半導体または誘電体と多孔性導体および／または導電性触媒であり得る触媒とを利用する化学エネルギー変換デバイスが説明される。二次元または三次元基板はリジッドまたはフレキシブル／折り畳み可能であり得る。例として、酸化チタンと称されることもある二酸化チタン（ＴｉＯ₂）の半導性網目構造などの、誘電体または半導体の多孔性薄膜は、シリコンなどの非孔質平面基板上に、またはシリコン上の非孔質ＴｉＯ₂層などの平面基板上に堆積された非孔質支持層上に、金属チタン（Ｔｉ）の薄膜を堆積させることによって製造できる。その後、この堆積された薄い金属Ｔｉ膜を、（ｉ）汚染酸化およびエッチング、（ｉｉ）乾式または湿式酸化およびエッチング、（ｉｉｉ）電気化学酸化およびエッチング、（ｉｖ）正極酸化の酸化およびエッチング、または（ｖ）マイクロアーク酸化およびエッチングによってＴｉＯ₂を生じるように酸化することができ、さらにその微細構造内にナノ多孔質孔を形成するように改質することができる。これら全てのプロセスに含まれる化学試薬には、フッ化水素酸（ＨＦ）、硝酸（ＨＮＯ₃）、硫酸（Ｈ₂ＳＯ₄）、過酸化水素（Ｈ₂Ｏ₂）、または／および水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）が含まれるが、これらに限定されない。また、デバイスの電気的性能をさらに高めるために、バリア層として機能する材料の付加的な非孔質層を、堆積された金属Ｔｉ薄膜と平面基板との間に挿入することができる。別の実施例において、基板自体が、多孔質シリコン、テクスチャー化シリコン表面、およびパターン化シリコンウエハなどの三次元構造であり得るが、これらに限定されない。同様に、ＴｉＯ₂などの半導体または誘電体の付加的な非孔質薄層を上述の金属Ｔｉ層と三次元基板との間に挿入してもよい。別の例として、多孔性導体および／または導電性触媒であり得る触媒と多孔性半導体または誘電体とを一体化したものが、導体／触媒、半導体、および誘電体のナノ粒子を使用して印刷技術またはスピンコーティングによって二次元または三次元基板上に製造され得る。

本明細書に開示された様々な実施形態はＴｉＯ₂を使用して説明されるが、ＴｉＯ₂が論じられる場合は、本明細書の教示から逸脱せずに、ナノ設計構造を有する多孔性半導体および誘電体の薄膜などの他の材料を使用することができる。このような他の薄膜多孔性材料には、シリコン、Ａｌ₂Ｏ₃、ＧａＮ、ＧａＡｓ、Ｇｅ、ＺｎＯ、シリカ、炭素の他、ニオブ、タンタル、ジルコニウム、セリウム、スズ、およびバナジウムの酸化物が含まれるが、これらに限定されない。また、これらの材料は平面基板や三次元基板または支持層の下方に適用される。また、同じ処理方法をデバイスの製造において使用することができる。

考察されるように、触媒および／または導体は、複数の（そして好ましくは、および多数の）固体接合を形成するために、多孔性半導体の内面および外面上に配置される。多孔性ナノ設計半導体または誘電体網目構造との固体接合を形成するために使用され得る触媒および／または導体は、限定されないが、Ｐｔ、Ａｕ、またはＰｄなどの貴金属または他の金属であり得る。これらの導体および／または触媒は、限定されないが、溶媒、ペースト、またはコロイド中でのナノ粒子または／および金属塩の使用、ナノ粒子の形成を核にするアニールによって生じる薄膜の堆積またはペースト／溶媒／堆積法の組合せ、化学蒸着（ＣＶＤ）、スパッタリング、蒸着、原子層堆積（ＡＬＤ）、またはゾルゲル法などの多数の方法を使用して堆積され得る。

図２に戻り、エネルギー変換の機構を説明する。図２は、エネルギー変換デバイスの触媒−ナノワイヤー境界面のエネルギーバンド図２００を示す。電荷キャリアエナジャイザー２０５は、触媒および／または触媒導体２１０と接触する。（この場合、燃料および空気を含む化学反応エナジャイザーである）電荷キャリアエナジャイザー２０５は、電子２４０を半導体２１５の伝導帯２２０に注入する。そこで、電子２４０は、半導体２１５と導体２１０との間のショットキー様ポテンシャル障壁２２５に衝突し、そしてそれはまた、導体を埋め込む上部電極層（図示せず）であってもよい。次に、電子２４０は導体２１０と半導体２１５との間の境界面において内部電界によって下部コンタクト（図示せず）に向かって誘導される。電子２４０は外部回路（図示せず）内で移動し、それによって上部コンタクト（同じく図示せず）経由で触媒／導体部に戻る前にそれらのエネルギーを負荷に送る。図２に示される回路の出力電圧は、触媒／導体のフェルミ準位と半導体の伝導帯との間のポテンシャルオフセット（障壁）に左右される。

換言すれば、図３に模式的に示されるように、酸化−還元（レドックス）反応は、触媒部位と半導体部位との間の電子の化学的ポテンシャルの差を誘導し、そしてそれが次にＥＭＦ（Δμ＝Ｖ２−Ｖ１）を生じさせる。

一実施形態において化学エネルギーを電気に変換する化学エネルギー変換デバイスが本明細書に記載される。本明細書に記載されるような同様の電子輸送機構を使用する先行デバイスの制限要因は、触媒反応が起こり得る速度であった。本明細書に記載されるような化学エネルギー変換デバイスの発電は、反応速度および燃料変換に比例し、反応速度および燃料変換は、少なくとも（ｉ）触媒反応が起こる温度、および（ｉｉ）触媒の全表面積に比例している。しかしながら、表面積の増加は一般的に、デバイスが二次元的に大きくなることにつながり、したがってデバイスのサイズを増加させ、これは望ましくない。同様に、反応速度を高めるために温度を上昇させることができるが、温度の上昇もまた、望ましくないことがあり得る。本明細書に記載される様々な実施形態は、化学エネルギー変換デバイスの表面積を、このようなデバイスの二次元面積を著しく増加させずに増加させることによってこれらの問題を克服する。

図４は、化学エネルギー変換デバイス４００の実施形態を図示する。特に、図４は、基板層（図示せず）上に形成される、ナノワイヤー４１５を有するデバイスを示し、そこで基板層は、酸化チタン（ＴｉＯ₂）などの誘電体または半導体の多孔性薄膜を含むことができる。基板層は、金属導電材料または高濃度ｎドープ半導体材料を使用して製造され得る、電極４１０上に形成される。電極４１０は、基板層の下または基板とナノワイヤー４１５との中間にあり得る。ナノワイヤー４１５は、ナノ設計多孔性半導体材料またはナノ設計多孔性誘電体のどちらかを含むことができる。いずれにしても、ナノワイヤー４１５は、電気導電性配列を形成する。導電性材料４２０はナノワイヤー４１５の表面上にあるが、介在する材料も同様に可能性がある。導電性材料４２０は金属粒子であってもよく、各々の金属粒子は、ナノワイヤー４１５を形成する半導体材料とショットキーダイオード接合を形成する。使用時に、水素、またはメタノールまたは天然ガス、および空気などの励起源４３０、または過酸化水素などの単元推進薬エネルギー源または燃料が触媒４２０と接触し、それが導体４２０からの電子を半導体４０５に注入させ、次いでそれらが電極４１０に引き付けられる。これが電気を生成する。第２電極４２５が触媒／導体４２０の上に形成され、それが下部電極４１０と共に電流が流れるように回路を形成するのを可能にして、電圧ポテンシャルＶ_outが電極間に生成される。

ナノワイヤー４１５は、全体的な効率を改良するいくつかの利点を提供する。ナノワイヤー４１５は、各々のナノワイヤー４１５が、ナノワイヤー４１５が存在しない場合に同じ二次元面積が有するよりもかなり大きな表面積を有することを意味する、表面積を有する。ナノワイヤーによって提供される付加的な表面積は、触媒堆積が二次元であるエネルギー変換デバイスと比較した時により多い触媒／導体材料をナノワイヤー上に堆積させることができる。ナノワイヤー上に触媒ナノ粒子、ナノクラスターが存在することによって化学反応のために、より低温で反応／変換速度の増加をもたらすより多くの反応部位が提供される。別の利点は、多孔性網目構造がまた、ナノワイヤーの内面上に配置された触媒への反応体の拡散および触媒からの反応生成物の除去を助長するということである。

実施形態において、ナノワイヤー４１５は、電子輸送を促進する単結晶ＴｉＯ₂ナノワイヤーからなり、例えば熱水処理においてチタン源からのエピタキシャルシード層から成長するような、様々な簡単で高価でない方法で合成され得る。下部コンタクト４１０は、例えばＴｉＯ₂ナノワイヤーの場合におけるＦＴＯ（フッ素化酸化スズ）のような、ナノワイヤー成長のためのエピタキシャルテンプレートを提供する導電層を有する導電性基板である。上部コンタクト４２５は、触媒／導体の多孔性網目構造を電気接続しなければならない。触媒／導体は、ペーストまたは電解質であり得る。また、ナノ粒子ペースト、ナノ粒子溶媒、薄膜堆積または任意のそれらの組合せを使用して導体およびまたは触媒を堆積させることができる。

図５ａは、平面基板５２５上に順に配置できる、絡み合い領域５１０において多孔性半導体または誘電体層５１５と三次元的に絡み合わせられた三次元多孔性触媒／導体層５０５を備えるエネルギー変換デバイスの別の実施形態を示す。層５１５は、上に記載したようにＴｉＯ₂を使用して構成させることができ、そして細孔を画定する相互接続壁を有するナノ設計構造、または浸透網目構造を有するナノ設計構造のどちらかであるハニカム様構造の形態をとることができる。いずれにしても、ハニカム様構造は、触媒層５０５からの触媒ナノ粒子がハニカム構造の空間に入り、半導体または誘電体層５１５の表面上にあることを可能にする。層５１５を３次元において多孔性にするのはこのハニカム構造である。これらのナノ粒子は、例えば、白金または任意の金属であり得る。半導体または誘電体層５１５のハニカム様構造を図５ｂ〜５ｃの顕微鏡画像に見ることができる。

同様に、三次元多孔性触媒層５０５は、多孔性網目構造、個々のナノクラスター／粒子、または両方の組合せを備えることができ、例えば、白金から構成することができる。多孔性半導体または誘電体層５１５と同じように、触媒／導体層は、ハニカム様構造の形態をとることができる。任意に、それは、上部電極として作用するメッシュまたは連続システムであり得る。例示的な三次元多孔性層５０５を図５ｂ〜５ｃの顕微鏡画像に見ることができる。絡み合い領域５１０の特徴は、触媒／導体が触媒／導体−半導体接合の三次元網目構造を構成するために全体に分散することができるその大きな内面の面積である。例示的な絡み合い領域５１０を図５ｂ〜５ｃの顕微鏡画像に見ることができる。

エネルギー変換器５００は、下の基板と上の多孔性材料との間のバリア層を提供するために、蒸発、化学蒸着（ＣＶＤ）、スパッタリング、または原子層堆積（ＡＬＤ）などの標準の堆積方法によって堆積される非孔質半導体または誘電体層５２０を任意に備えることができる。

図５ａによって示される実施形態において、上部電極５３０は、触媒／導体層５０５の一部または全ての上に形成され得る。同様に、下部電極５３５は、平面基板５２５の下に形成され得る。これらの２つの電極を完全な回路を形成するために外部負荷に電気的に接続することができる。

図６は、さらに別の実施形態を示し、図５ａのような複数のエネルギー変換デバイス５００がｎ個のセル６０２ａ〜６０２ｎとして配列され、したがって次々と上に積み重ねられる。図６に示されるような化学エネルギー変換器６００は、平面二次元基板上に製造されて垂直に統合され得る複数層の多孔性触媒６０５ａ〜６０５ｎおよび多孔性半導体／誘電体網目構造６１５ａ〜６１５ｎを有する複数セルデバイス構造である。特に、化学エネルギー変換器６００は、平面基板６２５がその上に配置される下部電極６３５を有することができる。非孔質半導体または誘電体層６２０は、必要ならば、平面基板６２５上に配置され得る。このような層６２０の使用は、下の基板と上の多孔性材料との間のバリア層として作用する。化学エネルギー変換器６００の第１のセル６０２ａは、例えば、ＴｉＯ₂から構成することができる、半導体または誘電体材料からなる多孔性層６１５ａを備える。また、第１のセル６０２ａは、上述の方法を使用してその上に配置され、多孔性網目構造、個々のナノクラスター／粒子、または両方の組合せを含むことができる三次元多孔性触媒層６０５ａを含む。触媒層６０５ａは、例えば、白金から作ることができる。層６１５ａと触媒層６０５ａとの間の境界面で、材料は、第１の絡み合い領域６１０ａにおいて三次元的に絡み合う。

生成される電気の量を増加させるために、化学エネルギー変換デバイス６００は、次々と上に積み重ねられる付加的なセル６０２ｂ〜６０２ｎを有する。例えば、第２の多孔性半導体または誘電体層６１５ｂおよび第２の触媒層６０５ｂからなる第２のセル６０２ｂは、第１のセルの上に形成され、三次元的な絡み合い領域６１２ａが第１のセル６０２ａと第２のセル６０２ｂとの間に形成される。同様に第３の三次元的な絡み合い領域６１０ｂが第２の触媒層６０５ｂと第２の多孔性半導体または誘電体層６１５ｂとの間に形成される。

エネルギー生成をさらに増加させるために、ｎ個の付加的なセル６０２ｎを化学エネルギー変換器６００に加えることができる。付加的なセルの各々は、ｎ個の第２の触媒層６０５ｎおよびｎ個の多孔性半導体または誘電体層６１５ｎからなり、三次元的な絡み合い領域６１０ｎが触媒層６０５ｎと多孔性半導体または誘電体層６１５ｎとの間の全ての境界面に形成される。三次元的な絡み合い領域６１２ａ〜６１２ｍが各々のセルの間に形成される。このような複数セル構造は、より大きなデバイスを備えなくても反応部位発電／変換のための触媒導体−半導体の全界面面積をかなり増加させ、それにより化学反応および対応する電気出力によって燃料変換を増加させる。

さらに別の実施形態が図７に示され、そこでエネルギー変換器７００が、図５に記載された多孔性触媒と多孔性半導体とを一体化したものが三次元表面上に構成されている。このような三次元表面は、平面二次元基板より大きな表面積を有し、それは発電／変換のための活性部位の増加をもたらし、そして次に、生成される電気量を増加させる。特に、図７を参照して説明される実施形態は、下部電極７３５を有する。例えば標準リソグラフィパターン化／エッチングプロセスを使用して三次元基板７２５がその上に製造される。この実施形態において基板７２５は、パターン化三次元網目構造マイクロトレンチ７１２を形成する。必要ならば、非孔質層７２０をパターン化基板７２５の上に配置することができ、それは下の基板と上の多孔性材料との間のバリア層として作用する。図５に示される実施形態のように、多孔性半導体／誘電体網目構造７１５がパターン化基板７２５（または存在している場合、非孔質層７２０）の上に配置される。触媒層７０５が多孔性半導体／誘電体網目構造７１５の上に配置され、それはまた、絡み合い領域７１０を形成するように多孔性半導体／誘電体網目構造７１５の細孔に入る。第２の電極７３０は、触媒層７２５の上に配置され、第１の電極７３５と組合せて電圧を生じさせ、したがって変換デバイス７００によって生成される電気の使用を可能にする。

図８は、多孔性三次元基板／支持層８２５を含む化学エネルギー変換器８００の実施形態を示し、内面および外面が、図５に説明される実施形態と同様に多孔性半導体または誘電体層８１５と多孔性触媒８０５とを一体化したもので覆われる。特に、化学エネルギー変換デバイス８００は下部電極８３５を有し、多孔性基板／支持層８２５がその上に配置される。

第２の電極８３０は、層８２５の上に配置され、第１の電極８３５と組合せて電圧を生じさせ、したがって変換デバイス８００によって生成される電気の使用を可能にする。

三次元多孔性基板は典型的に非晶質であり、それは、アニールした時に結晶化できる。ナノ設計構造は典型的に、高多孔性構造を形成する相互接続された壁およびワイヤーからなる。他の物理的および電気的特性のなかで、細孔の大きさ、多孔性層の厚さは処理パラメーターによって調整され得る。

例えばＴｉＯ₂のような半導体または誘電体のナノ設計多孔性網目構造または層をその上の触媒に対する支持体として作る別の方法は、多孔性層／網目構造の薄膜を形成するようにＴｉＯ₂ナノ粒子のペーストを利用することである。

図９ａは、三次元テクスチャー化基板／支持層９２５を有する実施形態を示し、表面が、図５に記載される実施形態のように多孔性半導体または誘電体材料層９１５と多孔性触媒９０５とを一体化したもので覆われる。特に、図９に図示される化学エネルギー変換器９００は下部電極９３５を有する。その上に三次元テクスチャー化基板９２５が配置され、それは例えば、シリコンウエハをエッチングすることによって生成することができる。

テクスチャー化基板９２５が山部と谷部を形成し、それによって三次元反応領域を生成する。この三次元反応領域は、化学反応のために利用可能な表面積を増加させ、それは、与えられたデバイスのサイズのために特定の時間量の間に起こり得る反応部位の数を増加させ、それによってエネルギー変換器９００の発電能力を増加させる。必要ならば、非孔質層９２０をテクスチャー化基板９２５の上に配置することができる。上記のように、非孔質層９２０は、下の基板と上の多孔性材料を分離するためのバリア層を提供する。多孔性または半導体または誘電体層９１５がテクスチャー化基板９２５（または存在している場合、非孔質層）の上に配置される。

触媒層９０５が多孔性半導体／誘電体網目構造９１５の上に配置され、それはまた、絡み合い領域９１０を形成するために多孔性半導体／誘電体網目構造９１５の細孔に入る。第２の電極９３０は、触媒層９０５の上に配置され、第１の電極９３５と組合せて電圧を生じさせ、したがって変換デバイス９００によって生成される電気の使用を可能にする。

本明細書に記載される他の実施形態のように、テクスチャー化基板９２５の使用は触媒作用のための表面積の増加をもたらし、それは平面二次元基板を有するエネルギー変換器よりも大きい発電をもたらす。

図９ｂは、テクスチャー化基板を有する図９ａのようなエネルギー変換器を示す顕微鏡画像である。顕微鏡画像は、半導体または誘電体層９１５がその上に形成される基板９２５を示す。ナノ粒子の形態の触媒層９０５（図示せず）は、誘電体／半導体層９１５の上にあり、ナノ粒子は絡み合い領域を形成するために層９１５の細孔に入る。図９ｃは、誘電体／半導体層９１５のテクスチャーを見ることができる上面画像を示す。

ナノワイヤー配列、ナノ設計構造物を使用して、特に電気エネルギーを生成するために固体接合を備える多孔性網目構造を形成するための、デバイス構造、およびそれらを製造する方法／プロセスが本明細書に記載される。デバイス構造を二次元平面基板上または三次元基板上に製造することができる。二次元または三次元基板はリジッドまたはフレキシブル／折り畳み可能であり得る。例示的な方法は、１つまたは複数の固体発電機を製造する工程を含む。固体発電機には、光起電力によって励起される固体発電機を包含する群から選択される１つまたは複数の固体発電機が含まれる。

一実施形態は、導体と半導体材料との間に逆電圧を提供する接合が少なくとも導体−誘電体、誘電体−誘電体、または誘電体−導体−誘電体接合を含んでいてもよい、固体デバイスである。絶縁体および半金属は、ここでは誘電体および金属のサブセットと考えられる。用語「半導体接合」には、金属および／または半導体、大きなバンドギャップを有する絶縁体材料ならびに低濃度ドープトおよび非晶質材料、半金属、絶縁体、非晶質材料、多結晶材料から形成される量子井戸を備える半導体接合が含まれる。用語「金属」には、高濃度ドープ半導体、金属、半金属、高濃度ドープ半導体、電気導体が含まれる。最重要であるのは、接合が、接近してくる電荷キャリアに遅延と乗越え可能なポテンシャルおよび／またはトンネリングポテンシャルとの両方を与えることである。

一実施形態において、図１０に示されるように、エネルギー変換プロセスからの一切の過剰な熱を放散させるために、固体変換器をヒートシンクに接続してもよい。ヒートシンクは、ヒートシンクに物理的に接続できる反応体およびガスによっておよびまたは基板によって提供され得る。図１０を参照して、触媒を含有する表面１００１によって部分的に境界を接する領域の化学反応体は表面周辺で反応してもよく、表面１００１の上、付近または周辺で反応中間体と接触、吸着、解離、再結合、または形成してもよい。

図１０の実施形態の誘電体および電位バリア材１００３は、導体と比較して、半導体ＴｉＯ₂であるように選択される。導体１００２は、誘電体半導体１００３と共にショットキー障壁を形成する。負極１００６と正極１００７との間に電位が観察される。導体および電極材料には共に、少なくとも金属、導電性酸化物などの導体、および高濃度ドープシリコンなどの縮退的および高濃度ドープ半導体、ならびに性能指数ＺＴが高い半導体、材料などを含む群から選択される材料が含まれる。反応によっておよびショットキー接合エネルギー変換器によって生成された熱は、より低温のヒートシンク１００５内に排除される。

図１０のより低温のヒートシンクは、このデバイス内の反応体が一般的に、システムに供給される時に高温ではないので、反応体１０００自体を含んでもよい。

一実施形態には、例えば、ルチルＴｉＯ₂、アナターゼＴｉＯ₂、多孔性アナターゼＴｉＯ₂、ＳｒＴｉＯ₃、ＢａＴｉＯ₃、Ｓｒ＿_x−Ｂａ＿_y−ＴｉＯ＿_z、ＬｉＮｉＯ、およびＬａＳｒＶＯ₃、ならびにＰＴＣＤＡ、すなわち、３，４，９，１０−ペリレンテトラカルボン酸−二無水物のような特定の有機半導体などの、ＴｉＯ₂以外の誘電体または半導体１００３の使用が含まれるが、これらに限定されない。下付き文字ｘ，ｙおよびｚは、通常の慣例によれば濃度を示す。ＳｒＴｉＯ₃の１つの利点は、その上のショットキー障壁が外され、ＴｉＯ₂のバリアと比較して比較的大きいバリアを提供してもよいということである。

図１０の一実施形態、ヒートシンク１００５は誘電体１００３に直接に結合され得るが、他の実施形態において、直接の結合は必要とされない。このようなヒートシンクには、限定されないが、ヒートパイプ、流体の流れを有する毛管系、限定されないが反応体自体、熱伝導性材料および対流法の使用を含む蒸発冷却、ならびにナノスケール熱勾配変換器が含まれ得る。

一実施形態において、図１１に示されるようにエネルギー変換器システムはヒートシンクに接続された多数の第２変換器に接続された第１変換器を含んでいてもよい。第１変換器は、化学的に励起されてもよい。第１変換器は１つのエネルギー源によって励起されてもよい一方、第２変換器は別の励起源によって励起されてもよい。代わりに、それらは同様な励起源によって励起されてもよい。例えば、第１変換器は、化学反応によって励起されてもよく、そして次に第１エネルギー変換器からの過剰な熱が、第２変換器を励起する。一般的な他の第１エネルギー変換システムを備える構成において、固体変換器は、熱的に直列に、そして電気的に直列にまたは並列に接続される。「直並列」と称されるこの相互接続は、信頼性を確実にするために使用される直並列構成を除外しない。例えば、化学的に励起される発電機の負極電極１１０８が、第２変換器１１０１の正極電極に電気的におよび熱的に結合される。第２変換器の負極電極１１０３および半導体材料１１０２は、より低温のヒートシンク１１１０に熱的に結合される。電気が１１０６の正極電極および負極電極１１０３から取り出され、そしてこの実施例についてはデバイスが直列であるので、１１０１の正極電極および負極電極１１０３からも同様に取り出される。出力電圧は、正極電極および負極電極の対のいずれから出されてもよいことに留意されたい。このような複数の出力は非常に有利であることに留意されたい。

この構成は、化学的に励起される発電機を、第２変換器を使用しない場合よりも高い温度で運転させることを可能にし、反応速度の増加としたがってより高い出力密度を可能にする。また、上昇した温度は、より広い範囲の反応体の使用および特定の反応体の発火温度での運転を可能にする。

図１２を参照して、一実施形態は、それぞれ隣りの変換器に電気的にかつ熱的に直列に接続される、熱的に励起される固体変換器を再帰的に繰り返す。第１段階１２０１は、多くの公知の方法のいずれかによって励起される化学的に励起される発電機であり得る。

その場合には、再帰的に繰り返される固体変換器１２０２は、第１段階１２０１のより高温の「廃熱」およびより低温の周囲ヒートシンクから電気を生成する。再帰的に繰り返される熱勾配変換器が、その熱源とヒートシンク温度との間で約８０％のカルノー制限効率を達成することができると推定される。

出力電圧は、正極電極および負極電極の対のいずれから出されてもよい。一実施形態は、ヒートシンクに取り付けられた直列の第２熱勾配変換器に取り付けられた第１エネルギー変換器を使用する。図１２は、このようなエネルギー変換器を示す。多数の第２変換器１２０２が直列に接続される。直列１２０２の一方の端部はヒートシンク１２０３に取り付けられる。直列１２０２の他方の端部は第１エネルギー変換器１２０１に接続される。第１エネルギー変換器は、熱勾配、光起電力または他の手段によって化学的に励起されてもよい。構成要素１２０２の数は、ゼロ（０）〜所望の数までで共に含んでいてもよい。１２０２の構成要素の主な機能は、予め接続されたエネルギー変換構成要素からの廃熱エネルギーの一部を電気ポテンシャルに変換することである。

実施形態は、その１つまたは複数が誘電体−導体−誘電体接合を備えてもよく電気的におよび熱的に直列に接続されヒートシンクに取り付けられた一連の第２変換器１２０２に取り付けられた、第１変換器１２０１を備えることができる。

様々な実施形態が、固体エネルギー変換器のためのヒートシンクを提供する。冷却のためのヒートシンクは、対流の流れ、相変化または蒸発冷却、およびヒートパイプなどの多くの方法で達成され得る。反応体または反応体構成要素を用いてもよい。例えば、図１３は、変換器を支持する構造物ならびに変換器組立体の内部と共に、細孔／孔１３０３を使用する実施形態を示し、それらを通って冷却剤が流れてもよく、反応体が流れてもよく、添加剤が流れてもよく、またはこれらの材料の任意の組合せが流れてもよい。示されないが、細孔／孔１３０３の代わりに溝、ダクトまたはパイプがこの特徴のために同様に使用可能である。各々の場合がその利点を有する。材料１３０１はより低温側１３０２から、細孔または孔１３０３を通って高温領域１３０４に流れる。低温側１３０２および高温側１３０４の両方が反応体または添加剤を含有してもよく、高温側は、排出物および空気流の両方が混在している。

低温側１３０２の反応体１３０１の蒸発ならびにより低温の材料１３０１の流れが冷却を起こす。反応体１３０１は濃縮可能であり、積み重ね体の高温表面１３０５の近くでは燃料が豊富である。

ウォーマーと接触した時に気体になる液体反応体または蒸発冷却剤１３０１を使用して、反応表面１３０５は、化学的に励起される高温電子プロセスのために望ましい気体種を提供する。

一実施形態は、空気力学的表面上に直接に変換器を形成する。これは、直接発電ならびにタービンを推進する質量流として液体−気体変換によって生成された気体の使用または有用な仕事の他の機械的抽出およびシャフトエネルギーの生成を共に可能にする。

一実施形態は、発電機内でそれらの低温ヒートシンクのために液体空気およびその他の液体ガス１３０１を使用する。液体空気および同様な不活性液体ガスが、領域１３０２に対するヒートシンクとなってもよく、排出領域１３０４の周囲空気が熱源となってもよく、そしてデバイスが、温度差を利用してそれによって電気を直接に生成してもよい。また、液体／気体相転移が、同時に、タービンなどの機械エネルギー変換器を作動させてもよい。

一実施形態は、空気流を提供するために自然対流を使用する。冷却用空気の体積は典型的に、反応空気の体積よりも数桁大きいことがあり得ることに留意されたい。

また、図１３に基づいた一実施形態は、偏平管などの一般的な管形状の断面を示してもよい。一般的な管は、１つまたは複数の面上に固体エネルギー変換器で被覆される。「管（Ｔｕｂｅ）」はここでは、不均一な壁を備える、任意の相対的な壁厚を有する任意の部分的に中空形状のものを指す。例えば、管は、気体または流体の流れを可能にする密閉空間を間に有し端縁において密閉された体積を有する２枚のシートのように見えるように偏平にされ得る。

図１４を参照して、積み重ね可能基本単位が電気伝導性層、熱伝導性層、および構造支持層の１つまたは複数を備える構造上に配置される。

実施形態は、或る量の発電機を作るために、１つまたは複数の固体発電機組立体を接続して一緒に積み重ねる。積み重ね体は電気的に直列にまたは並列に接続され得る。

図１４に断面において示される積み重ね可能基本単位の一実施形態は、重要な要素：上の正極および励起側１４０４と下の負極側とが電気的に接続される（第１エネルギー変換器のみまたは第１および第２エネルギー変換器で構成されてもよい）固体変換器１４０１を備える。エネルギー変換器は、正極電極接続１４０２、負極電極接続１４０３に支持され、接続される。構造物１４０３は、電気伝導性要素、熱伝導性要素および強度構造要素の１つまたは複数を備えてもよい。積み重ねは、励起および熱源のために変換器１４０１の活性領域の上に空間を残して、積み重ね可能基本単位を他の積み重ね可能基本単位の上に配置することを含む。同じことが任意の実行可能な構成または配列において達成されてもよい。

図１４−Ａおよび１４−Ｂに示される実施形態は、変換器１４０１を通して正極電極１４０２、１４０４を負極電極１４０３に接続する。正極電極１４０２および１４０３が図示されるが、１つだけが存在している必要がある。これの断面が図１５に示される。図１５の各々の基本的な構造を垂直方向および／または水平方向に再帰的に積み重ねて、三次元の基本的な積み重ね構造物のマトリクスを形成してもよいことに留意されたい。

図１４−Ｂは、実施形態において明確にするために意図的に省かれた電気的および熱的接続および境界面に関連した詳細を提供する。

実施において、当業者は、電極を変換器に接続するために多くの公知の方法のうちの１つを使用する。図１４−Ｂを参照して、一実施形態は、構造物１４０３上に直接に形成された絶縁体１４０５上に正極電極１４０２を配置し、そして次に、電気ブリッジ１４０６を形成して正極電極１４０２を変換器組立体の正極端および活性表面１４０４に電気的に接続する。構造物要素１４０３は実施において、変換器の負極側に接続された電気導体を備え、そして変換器への熱的接続もまた備える。簡単な実施形態は、電気伝導性かつ熱伝導性である構造物１４０３、例えば厚さ５ミクロンのアルミニウムまたは銅箔を形成する。

一実施形態は、図１４−Ａおよび１４−Ｂに示される積み重ね可能基本単位を互いに上に積み重ねて、或る量の発電機エネルギー変換器を形成する。反応体および冷却剤１５００は、積み重ね体の間の空間１５０１に流入し、排出物がこの空間を通って流出する。

別の実施形態は、同じ平面内の隣接した変換器の正極電極を負極電極に接続することによって積み重ね体の平面に沿って直列に変換器を接続する。これをいくつかの方法で達成することができ、それらのうちの１つが図１６に示される。電気接続１６０２は第１の変換器１６０１Ａの正極側および活性表面に作られ、絶縁体１６０４によって分離された相互接続導体１６０３に接続される。相互接続１６０３は、第２の変換器１６０１Ａの負極側１６０５に電気的に接触する。図１６において絶縁スペーサー１６００は変換器の後ろに概念的に示される。２つの直列デバイスが基板１６０６上にある。

別の実施形態は、図１７に示される積み重ね可能基本単位の本体を通って冷却剤および／または反応体１７００を供給する。例えば、固体変換器１７０１およびスペーサー１７０２は、その内側１７０４に反応体および／または冷却剤１７００が流れる構造物および基板１７０３上に形成される。図１８を参照して、この実施形態のデバイスを巻き上げることができ、（図１８において１８０２の番号を付けられる）スペーサー１７０２によって形成されるロールと（図１８において１８０１の番号が付けられる）変換器１７０１との間の（図１８において１８０５の番号を付けられる）空間１７０５は反応体が流入可能であり、排出物が空間１８０５から流出することができる。また、明確にするためにスペーサー１７０２／１８０２および電気的相互接続が図１７に示される。詳細な接続は、図１６および図１４−Ｂに説明される接続と同様とすることができる。

これらの実施形態の各々において、変換器は、上述された柱状形態を含む多くの形態をとることができ、殆ど任意の形状の多くの表面上に付着され得る。

図１９はデバイスの例示的な実施形態を示し、デバイスでは、触媒表面、クラスターまたはナノ構造物上でのまたは内部での吸着反応および結合反応によって生成されたフォノンの放出を作動液の圧力に変換する。

図１９に示される実施形態に従って、触媒本体の第１の側において触媒本体内に向けられるフォノンによって生成される圧力は、フォノンが基板の他方の側に移動して流体上に圧力を加えるように、触媒（または触媒が上に配置されてもよい基板）の形状によって誘導され得るフォノン波を形成する。この移動距離の大きさはフォノンの方向が実質的に摂動のない状態にとどまる平均距離よりも小さいのがよい。到達するフォノンの方向性および非対称圧力が、液体金属などの流体または犠牲境界面を押す波動として触媒本体の他方の側に生じ、それを底面に平行な方向に移動させるような角度（「グレージング」角）でフォノンが到達する。デバイスの底部の表面に沿う波動または方向付けられた衝撃のために壁と流体との間の明らかな負の摩擦係数が示される。

例示的なデバイスは、図１９の断面図に示されるように、鋸歯形パターンを備える上面および底面を有する基板１９０２を備える。底面は作動液１９０４と接触している。図１９に示されるように、基板は、矩形断面を有し、作動液１９０４に対して角度をなして互いに隣接して配置された複数の下部構造１９００を含むと考えられ得る。

基板の上面において、各々の下部構造１９００は、触媒を含む層１９０１を備える。隣接した下部構造間の露出した側面表面上に、各々の下部構造物１９００は、触媒および反応体に対して不活性である材料の層１９０２を備える。各々の下部構造の本体は基板１９０３からなり、それはまた、フォノン導波管として作用する。白金を触媒層１９０１および基板１９０３のために使用することができ、空気を酸化剤として、エタノールまたはメタノールを炭化水素反応物燃料としておよび水または水銀を作動液１９０４として使用することができる。また、作動液は、デバイスの冷却剤として機能することができ、それによって高出力密度運転を可能にする。

触媒１９０１および基板１９０３は、同じ材料、例えば、白金からなってもよい。構造上の問題点、製造性および／または作動液中へのフォノンの運動の伝播を最大にするためのインピーダンス整合に基づいて他の基板材料を使用してもよい。

白金触媒層１９０１および基板１９０３の厚さは、光学的分枝フォノンまたは高周波音響的分枝フォノンのエネルギー変化平均自由行程より小さいのがよく、それは少なくとも１０ナノメートルのオーダーであり１ミクロンもあり得る。

ナノ製造方法を基板１９０２の表面上に鋸歯パターンを形成するために使用することができ、このようなパターンの単位の寸法は１ミクロンもある。

図示されるように不活性層１９０２を、例えば、上面の鋸歯形パターンの右側に面する側面上に堆積させることによって、図１９の矢印によって示されるように、反応のためのそしてしたがってフォノンの伝播のための優先方向がそれにより確定される。

触媒側の音波、超音波またはギガヘルツ音響レイリー波を、反応速度をシミュレートし、フォノンの放出を同期させるために使用することができる。波はフォノン放出量を増加させ、コヒーレント放出を生じさせ、ピークおよび平均出力を共に大幅に高める。

さらなる実施形態において、材料の薄層または層が基板と流体との間に配置される。これらの層は、作動液中への運動量の伝達を最大にし、基板１９０４中に戻る反射を最小にするために、基板１９０２と作動液１９０４の音響インピーダンスの間の音響インピーダンスを有する材料からなる。材料の体積弾性率およびフォノン伝播特性が、基板から現れるフォノンを最小の反射およびエネルギー損失で流体中に実質的に伝達させるように、材料が選択されるのがよい。

触媒反応を高めるために、触媒および基板構造物は、図４〜９に記載された三次元多孔性形態をとることができる。これは、生成されたフォノンの量の増加をもたらすために、反応領域および反応速度を増加させる。これは、単位投影面積当たり発生した運動を増加させる。

デバイスのさらなる実施形態において、触媒反応によって発生したフォノンの放出は、フォノンが材料に衝突する時に材料中の圧電効果によって電流に変換される。このようなデバイスの例示的な実施形態が図２０に示される。

図２０の例示的なデバイスは、次に支持基板２００４上に配置される、圧電素子２００３上に配置された触媒層２００１を含む。層２００１、２００３は、リジッド、フレキシブルまたは折り畳み可能である、二次元または三次元テクスチャー化基板上に位置する、固体デバイスとして本明細書に記載される三次元多孔性構造物であり得る。触媒層２００１は、ナノクラスター、ナノ層または量子井戸、または三次元多孔性網目構造として導入され得る。本発明に従って、電位がかけられる圧電電気素子２００３の反対端に導線２００２が設けられる。図２０の例示的な実施形態において、触媒層２００１は白金を含み、酸化剤として空気および炭化水素反応物燃料としてエタノールまたはメタノールを有する。圧電電気素子２００３は、ＩｎＧａＡｓＳｂのような、通常は圧電性でない半導体を含めて、任意の圧電材料を含むことができる。半導体と白金との間の格子不整合は、例えば（Ｂａ、Ｓｒ）ＴｉＯ３薄膜、ＡｌｘＧａ１−ｘＡｓ／ＧａＡｓおよび歪み層ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ（１１１）Ｂ量子井戸ｐ−ｉ−ｎ構造のような、半導体、または高い非線形性を有する強誘電または圧電材料に、圧電特性を誘導する一般的に変形ポテンシャルと呼ばれる歪みを生じさせる。

圧電素子２００３が半導体からなる場合、半導体は、フォトンを電気に変換するダイオード要素になり、電子を電気として集めて、フォノンを電気に変換する。

図２０の例示的な実施形態において、反応体は触媒層２００１と相互作用するので、反応によって生成されたフォノンは圧電材料２００３中に伝導される。結果として、電気接点２００２において圧電材料２００３内に電位が誘導される。

基板２００３の幾何学的形状は好ましくは、圧電素子２００３の非線形性を高めるようにフォノンを集束するような幾何学的形状である。これは、高周波フォノンの自己整流をもたらす。例示的な実施形態において、圧電素子２００３は好ましくは曲線状であり、圧電材料上に触媒によって生成されたフォノンを集束するようにレンズまたは集光レフレクターのように造形されている。フォノンの集束は、大きな振幅の原子の運動を焦点に生じさせる。この集束によって引き起こされた原子の運動は、圧電材料を非線形にさせ、材料中の電気の生成などの非線形応答を焦点に生じさせる。そして次にこれは、圧電材料がフォノン誘起高周波電流の整流器になるという結果をもたらす。

反応速度をシミュレートしフォノンの放出を同期させ、フォノン放出量を高め、そしてコヒーレント放出を生じさせ、圧電材料２００３に与えられるピークおよび平均出力を共に大幅に高めるために、音響、超音波またはギガヘルツ音響レイリー波を図２０の例示的なデバイスの触媒側で使用することができる。音響レイリー波は、白金触媒表面上の酸化反応を促進する。表面音響波は、発生器（図示せず）を使用して触媒２００１の表面上に生成され得る。このような波は音波、超音波またはギガヘルツ周波数を有してもよい。レイリー波は反応を同期させるように反応を誘導し、そして次にそれはフォノンの放出を同期させる。結果は反応のパルシングバンチングであり、それは、圧電材料２００３に与えられる出力を高める。

図２０のデバイスの動作周波数は、好ましくはＧＨｚ範囲以下であり、その結果、圧電材料２００３によって生じた交流の整流は、半導体ダイオードを使用するなどの従来の手段によって達成され得る。

さらなる例示的な実施形態において、高振動励起ラジカルおよび最終生成分子などの励起状態生成物によって放出される赤外フォトンなどの電磁線が、光起電力によって電気に変換される。触媒表面上ならびにそれから脱着する高振動励起ラジカルおよび反応生成分子などの励起状態生成物からエネルギーを抽出するために、誘導放射放出が使用される。抽出されたエネルギーは、赤外線または光エネルギーのコヒーレントビームまたは超放射ビームの形態で現われる。放射線の周波数は、反応体の正規振動数の基音（振動量子数の変化１）または倍音（振動量子数の変化２以上）に相当する。いくつかの異なった周波数が本発明において同時に抽出されてもよい。得られたコヒーレントビームはそれ自体で有用であるが、また、この高強度ビームは、光起電力によって電気に変換され得る。本発明に従って、このような放出は触媒表面上の反応によって生じ、光共振器の使用によって促進される。図２１は、このような変換を行なうための発電機の例示的な実施形態を示す。

図２１のデバイスは、１つまたは複数の基板２１０１（明確にするために、それらの１つのみが番号を付けられる）を含み、その上に触媒２１０２（明確にするために、それらの１つだけが番号を付けられる）が複数の島、ナノクラスター、量子井戸クラスターまたは量子ドットの状態で配置される。触媒クラスターは十分に離隔され（例えば、数十ナノメートル以上）、基板は十分に薄くされて（例えば、センチメートル未満の全光学厚さ）、赤外線吸収が種放射の周波数において軽減されるようにする。基板２１０１上の触媒クラスターの集まりは、反応放射線に対して実質的に透明である。触媒２１０２は好ましくは白金またはパラジウムである。デバイスは好ましくは、或る量の反応を可能にするように積み重ねられた複数の基板２１０１を含む。また、さらに、触媒反応を高めるために、触媒／基板構造物は、前に図４〜９に記載された任意の形態であり得る。

図４に示されるように配置された高い反射要素２１０３およびより低い反射要素２１０４を有する光共振器内に触媒−基板積み重ね体２１０１／２１０２が囲まれている。光共振器および触媒−基板積み重ね体２１０１／２１０２は好ましくは、反応放射線またはそれらの倍音に対して共振する。倍音放射、すなわち、量子数の変化が２以上である多極放射を誘導し、放射線のエネルギーを増加させるために、光共振器を使用することができる。光共振器は好ましくは、ファブリペローキャビティにおけるように、種周波数の倍音に調節される複数周波数を有する。

水素、エタノールまたはメタノールなどの燃料２１０７および空気などの酸化剤２１０８を光共振器内に導入し、そこでそれらが触媒−基板積み重ね体２１０１／２１０２と相互作用する。排出流中の同じ化学的組成の他の種への、これらの種が光共振器内にある時間の間の励起状態振動エネルギーの共振の伝送、交換または減衰を最小にするように燃料の希薄混合物を使用することができ、光起電力変換器２１０５が放射線を集め、それを電気に変換する。排出路１２０９が続く。

光共振器内の放出を開始し、同期させるために、誘導放出開始装置および同期デバイス２１１２を使用する。デバイス２１１２は一般的に入手可能な誘導放出発振器であってもよく、公知の方法で本発明のデバイスに結合されてもよい。光共振器は、誘導放射放出をするために公知の方法で設計されてもよい。光電池は典型的に、触媒反応に特徴的な長波長ＩＲフォトン（１０００〜５０００／センチメートル）を変換するのにあまり効率的ではない。デバイス２１１２の高いピーク出力はこの状態を改善し、ＩＲ光電池をより効率的にする。

光起電力変換器２１０５は、放出される放射線に対して可視的であるどこでも触媒−基板積み重ね体２１０１／２１０２の体積の外側に配置される。このような配置は、公知の方法を使用して光起電集光器２１０５を冷却することを可能にする。光起電集光器２１０５の電気出力線２１０６を、ダイオード４１０を介して電気エネルギー貯蔵デバイス２１１１に結合することができる。光起電力変換器２１０５の出力はパルス状であり、パルスレートは典型的に１メガヘルツより大きい。電気エネルギー貯蔵デバイス２１１１は、例えば、キャパシタ、スーパーキャパシタまたはバッテリーを含んでもよい。パルス出力の高周波が与えられれば、貯蔵デバイス２１１１として使用されるキャパシタは非常にコンパクトであり得る。キャパシタは、単一パルスのエネルギーを集めるための大きさでさえあれば十分である。したがって、キャパシタに蓄えられるエネルギーは、変換器２１０５によって１秒で送られるエネルギーの数百万分の一であり得る。

触媒表面上の化学反応体は、遷移の「はしご」の一部であり触媒表面上で強く分極化されているので、倍音遷移を可能にし、それは全ての遷移が非ゼロ双極放射遷移マトリクス要素を有するようにする。また、反応体は、表面に付着していて回転することができないので、気体中の自由分子に関連する回転スミアリングを有しない。これらの特徴は、誘導放射放出による近単色倍音光増幅を可能にする。

図２１の実施形態におけるように、種の刺激によって放射される電磁エネルギーを高輝度、準単色、多色放射線またはコヒーレントビームに形成することができる。

光起電力半導体を備える上記の実施形態の各々において、触媒は、光起電力半導体の効率を高めるために、例えば、１０ワット／平方センチメートルを超える高い表面出力密度においてまたは少なくとも１ワット／平方センチメートルのピーク表面出力密度を有するように作動されるのが好ましい。

この方法、デバイスおよびシステムは、電気を生成する固体デバイスにおいて使用される接合のエネルギー変換効率を改良する。エネルギー源は、電荷キャリア、例えば電子を接合の一方の側に注入する。正味過剰な電荷キャリアが接合の一方の側から他方の側に注入されるとき、それは電場によって外部回路に移動させられる。電気エネルギーの有用な形態への化学エネルギーの変換が結果として行なわれる。実施形態の基本要素は、半導体材料において電荷輸送または移動度が改良される時にこのプロセスの効率が改良されるということである。

出力を生成するための別の機構は、起電力（ＥＭＦ）として作用できる、ナノワイヤー網目構造またはナノ設計多孔性網目構造／層と触媒との間の電気化学的電位差を作ることである。半導体／触媒表面は、酸化または還元反応の１つを促進してもよく、２つの反応を有効に分ける。これは、触媒部位と半導体表面との間の電気化学的電位勾配を形成することができ、それは、外部回路に起電力（ＥＭＦ）を誘導して負荷を駆動することができる。

一実施形態には、例えば、ルチルＴｉＯ₂、アナターゼＴｉＯ₂、多結晶ＴｉＯ₂、多孔性ＴｉＯ₂、ＺｒＯ₂、ＳｒＴｉＯ₃、ＢａＴｉＯ₃、Ｓｒ＿ｘ−Ｂａ＿ｙ−ＴｉＯ＿ｚ、ＬｉＮｉＯ、シリコン、Ａｌ₂Ｏ₃、ＺｎＯ、ＳｉＣ、ＧａＮ、ＧａＡｓ、Ｇｅ、シリカ、炭素の他、ニオブ、タンタル、ジルコニウム、セリウム、スズ、バナジウムの酸化物、およびＬａＳｒＶＯ₃、ならびにＰＴＣＤＡ、すなわち３，４，９，１０−ペリレンテトラカルボン酸−二無水物のような特定の有機半導体を含む、誘電体または半導体から製造されるナノワイヤー配列またはナノ設計多孔性網目構造／層が含まれるが、これらに限定されない。下付き文字ｘ、ｙおよびｚは、慣例によれば濃度を示す。ＳｒＴｉＯ₃の１つの利点は、それの上のショットキー障壁が外されてもよく、ＴｉＯ₂のバリアと比較して比較的大きいバリアを提供するということである。

燃料、酸化剤、自己触媒、促進剤
本明細書に記載される様々な化学エネルギー変換デバイスは、酸化剤、自己触媒反応促進剤、減速剤、および単元推進薬などの貯蔵可能な反応体を使用する。標準的な圧力および温度での液体過酸化水素Ｈ₂Ｏ₂などの液相は、それらの気化熱が冷却剤として使用され、液体が貯蔵可能であると都合が良いため、使用しやすい。Ｈ₂Ｏ₂およびモノメチルヒドラジン（ＭＭＨ）などの単元推進薬は同様に使用しやすく、変換器の活性表面を励起する。自己触媒促進剤には、Ｈ₂Ｏ₂などの単元推進薬が含まれる。

一実施形態は、これらの励起を引き起こすための反応および反応体を使用する。反応、反応体および添加剤には、少なくとも単元推進薬、高エネルギー燃料と酸化剤、自燃性混合物、および添加剤ならびに自己触媒種を生じることが知られている反応体、反応を促進するかまたは反応を制御するように選択される反応体の組合せ、およびそれらの組合せが含まれる。反応体および／または添加剤には、以下の反応体が含まれるが、これらに限定されない。
アンモニアよりも貯蔵性がある強力な燃料：
アミン置換アンモニア
ジ−メチル−アミン（ＣＨ₃）₂ＮＨ
トリ−メチル−アミン（ＣＨ₃）₃Ｎ
モノ−エチル−アミン（Ｃ２Ｈ５）ＮＨ２
ジ−エチル−アミン（Ｃ₂Ｈ₅）₂ＮＨ）
より容易に貯蔵可能な他の種類：
メタノール、ＣＨ₃ＯＨ
エタノール、ＥｔＯＨ ＣＨ₃ＣＨ₂ＯＨ
蟻酸、ＨＣＯＯＨ
ディーゼル燃料
ガソリン
アルコール
固体燃料を含有するスラリー
亜酸化炭素、Ｃ₃Ｏ₂、ＣＯ＝Ｃ＝ＣＯ、
ホルムアルデヒド ＨＣＨＯ、
パラホルムアルデヒド、＝より良くは（ＨＣＨＯ）_n、ホルムアルデヒドガスへと昇華可能（可能性としては同時にセル冷却剤）。
貯蔵性が低めの燃料：
一酸化炭素
水素
アンモニア ＮＨ₃
窒素を含有する強力な燃料：
ニトロメタン、ＣＨ₃ＮＯ₂
ニトロメタン「留分」とメタノール＝模型飛行機「グロープラグ」エンジン燃料
大きい燃料／空気比を有する高エネルギー燃料：
エポキシ−エタン、＝オキシランまたはエチレン−オキシド ＣＨ₂−ＣＨ₂Ｏ
１，３−エポキシ−プロパン＝オキセタンおよびトリ−メチレン−オキシド＝１，３−メチレン−オキシド ＣＨ₂−（ＣＨ₂）−ＣＨ₂Ｏ
エポキシ−プロパン ＣＨ₂−（ＣＨ₂）−ＣＨ₂Ｏ
アセチレン、Ｃ₂Ｈ₂
ジアセチレン＝１，３−ブタジエン（Ｂｕｔａｄｉｙｎｅ）
１，３−ブタジエン ＣＨ₂＝ＣＨ−ＣＨ＝ＣＨ₂、
より不安定でない高エネルギー燃料：
ジ−エチル−エーテルまたは外科用のエーテル
アセトン＝ジ−メチル−ケトン
より不安定でない、揮発性燃料：
シクロ−プロパン
シクロ−ブタン
メタン、プロパン、ブタン、ペンタン等の炭化水素
他の貯蔵可能な燃料：
メチルホルメート ＨＣＯＯ−Ｃ₂Ｈ₅
ホルムアミド ＨＣＯ−ＮＨ₂
Ｎ、Ｎ、−ジ−メチル−ホルムアミド ＨＣＯ−Ｎ−（ＣＨ₃）₂
エチレン−ジアミン Ｈ₂Ｎ−ＣＨ₂−ＣＨ₂−ＮＨ₂
エチレン−グリコール
１，４−ジオキサン ＝エチレン−グリコールの二分子環状エーテル
パラアルデヒド アセトアルデヒドの（ＣＨ₃ＣＨＯ）₃環状三量体
強力酸化剤：
テトラ−ニトロ−メタン、Ｃ（ＮＯ₂）₄ 自発的に分解しない。単に気相中の電池の反応表面の上に２つの別個の蒸気を送る。
過酸化水素 Ｈ₂Ｏ₂
低開始エネルギー混合物：
シクロ−プロパンと酸素＝外科用麻酔薬、マイクロジュール開始剤
自燃性物質：
ＵＤＭＨ＝非対称ジメチルヒドラジン＝１，１−ジメチルヒドラジン（ＣＨ₃）₂ＮＮＨ₂
ＵＤＭＨは、Ｎ₂Ｏ₄と共に通常は自燃性であり、非常に強い発癌物質である。
ＭＭＨ モノメチルヒドラジン （ＣＨ₃）ＨＮＮＨ₂ 任意の酸化剤、例えばＮ₂Ｏ₄と共に自燃性である。
腐蝕性の毒性強力単元推進薬：
ヒドラジン＝Ｈ₂ＮＮＨ₂ 触媒（通常ＰｔまたはＰｄまたはモリブデンオキシド）で容易に分解される。
ヒドラジン水和物

様々な実施形態が特定の実施例およびサブシステムに対して説明されたが、本明細書に開示された概念はこれらの特定の実施例またはサブシステムに限定されるものではなく、他の実施形態にも及ぶことは当業者には明らかであろう。以下の請求の範囲に規定されるように他のこれらの実施形態の全てがこれらの概念の範囲内に含まれる。

様々な実施形態が特定の実施例およびサブシステムに対して説明されたが、本明細書に開示された概念はこれらの特定の実施例またはサブシステムに限定されるものではなく、他の実施形態にも及ぶことは当業者には明らかであろう。以下の請求の範囲に規定されるように他のこれらの実施形態の全てがこれらの概念の範囲内に含まれる。
以下の項目は、本出願時の請求の範囲に記載の要素である。
（項目１）
第１の電極と、
前記第１の電極に接続された基板と、
前記基板の上に配置され、半導体網目構造を形成するナノ設計構造を有する、多孔性半導体層と、
前記多孔性半導体層の少なくとも一部の上の多孔性触媒材料であって、前記多孔性触媒材料の少なくともいくらかが絡み合い領域を形成するために前記多孔性半導体層の前記ナノ設計構造に入る、多孔性触媒材料と、
第２の電極であって、燃料、前記多孔性触媒材料および前記多孔性半導体層の間の化学反応中に電位差が前記第１の電極と第２の電極との間に形成される、第２の電極と、
固体発電機から熱を除去するヒートシンクであって、周囲温度よりも高いヒートシンク温度を有するヒートシンクと、を備える、化学エネルギーを電気に変換するためのエネルギー変換デバイス。
（項目２）
前記基板は三次元表面を形成するためにパターン化され、それによって化学反応のための増加した表面積を提供する、項目１に記載のエネルギー変換デバイス。
（項目３）
前記多孔性半導体層はナノワイヤーが形成されるようにパターン化される、項目１に記載のエネルギー変換デバイス。
（項目４）
前記基板は山部と谷部とが形成されるようにテクスチャー化される、項目１に記載のエネルギー変換デバイス。
（項目５）
前記基板と前記多孔性半導体層との間に非孔質半導体層をさらに含む、項目１に記載のエネルギー変換デバイス。
（項目６）
前記基板自体は二次元であり平面である、項目１に記載のエネルギー変換デバイス。
（項目７）
前記基板自体は三次元であり内面および外面を備える、項目１に記載のエネルギー変換デバイス。
（項目８）
前記基板はリジッドである、項目１に記載のエネルギー変換デバイス。
（項目９）
前記基板はフレキシブルである、項目１に記載のエネルギー変換デバイス。
（項目１０）
前記基板は折り畳み可能である、項目１に記載のエネルギー変換デバイス。
（項目１１）
固体接合はショットキーダイオードである、項目１に記載のエネルギー変換デバイス。
（項目１２）
固体接合はｐ−ｎ接合である、項目１に記載のエネルギー変換デバイス。
（項目１３）
固体接合は導体−誘電体、誘電体−誘電体、導体−誘電体−導体、または誘電体−導体−誘電体接合である、項目１に記載のエネルギー変換デバイス。
（項目１４）
多孔性半導体層は、結晶、多結晶、または多孔性のＴｉＯ _２ 、ＳｒＴｉＯ _３ 、ＢａＴｉＯ _３ 、Ｓｒ _１３ ｘ−Ｂａ＿ｙ−ＴｉＯ＿ｚ、炭化ホウ素、ＬｉＮｉＯ、Ａｌ _２ Ｏ _３ 、ＺｎＯ、およびＬａＳｒＶＯ _３ 、ならびにＰＴＣＤＡ、すなわち、３，４，９，１０−ペリレンテトラカルボン酸−二無水物を含む有機半導体を含む材料の群から選択される半導体材料を備える、項目１に記載のエネルギー変換デバイス。
（項目１５）
ナノスケールの導体クラスターは、前記多孔性半導体層の上の不連続な多孔性範囲を有する、項目１に記載のエネルギー変換デバイス。
（項目１６）
導体層は複数のナノスケールのクラスターを備える、項目１に記載のエネルギー変換デバイス。
（項目１７）
前記ナノスケールのクラスターが触媒を備える、項目１に記載のエネルギー変換デバイス。
（項目１８）
電気的に直列に、電気的に並列に、または直列および並列の組合せで接続される、１以上のエネルギー変換デバイスを備える、項目１に記載のエネルギー変換システム。
（項目１９）
熱的に直列に、熱的に並列に、または直列および並列の組合せで接続される１以上のエネルギー変換デバイスを備える、項目１に記載のエネルギー変換システム。
（項目２０）
トンネリング寸法よりも大きい寸法を有する１以上のエネルギー変換デバイスの活性表面上にバスバーを備える、項目１に記載のエネルギー変換システム。
（項目２１）
第１の電極と、
前記第１の電極に接続された基板と、
前記基板の上に配置され、半導体回路網を形成するナノ設計構造を有する多孔性半導体層と、
前記多孔性半導体層の少なくとも一部の上の多孔性導体材料であって、前記多孔性導体材料の少なくともいくらかが絡み合い領域を形成するために前記多孔性半導体層の前記ナノ設計構造に入る、多孔性導体材料と、
第２の電極であって、多孔性導体材料および多孔性半導体層の間の、電位差が前記第１の電極と第２の電極との間に形成される、第２の電極と、
固体発電機から熱を除去するヒートシンクであって、周囲温度よりも高いヒートシンク温度を有するヒートシンクと、を含む、光起電力エネルギーを電気に変換するためのエネルギー変換デバイス。
（項目２２）
前記基板は三次元表面を形成するためにパターン化され、それによって発電／変換のための増加した固体接合の面積を提供する、項目２１に記載のエネルギー変換デバイス。
（項目２３）
前記多孔性半導体層はナノワイヤーが形成されるようにパターン化される、項目２１に記載のエネルギー変換デバイス。
（項目２４）
前記基板は山部と谷部が形成されるようにテクスチャー化される、項目２１に記載のエネルギー変換デバイス。
（項目２５）
前記基板と前記多孔性半導体層との間に非孔質半導体層をさらに含む、項目２１に記載のエネルギー変換デバイス。
（項目２６）
前記基板自体は二次元であり平面である、項目２１に記載のエネルギー変換デバイス。
（項目２７）
前記基板自体は三次元であり内面および外面を備える、項目２１に記載のエネルギー変換デバイス。
（項目２８）
前記基板はリジッドである、項目２１に記載のエネルギー変換デバイス。
（項目２９）
前記基板はフレキシブルである、項目２１に記載のエネルギー変換デバイス。
（項目３０）
前記基板は折り畳み可能である、項目２１に記載のエネルギー変換デバイス。
（項目３１）
前記ヒートシンクは前記多孔性半導体層または前記基板に接続されてもよい、項目２１に記載のエネルギー変換デバイス。
（項目３２）
固体接合はショットキーダイオードである、項目２１に記載のエネルギー変換デバイス。
（項目３３）
固体接合はｐ−ｎ接合である、項目２１に記載のエネルギー変換デバイス。
（項目３４）
固体接合は導体−誘電体、誘電体−誘電体、導体−誘電体−導体、または誘電体−導体−誘電体接合である、項目２１に記載のエネルギー変換デバイス。

Claims (34)

1. 第１の電極と、
   前記第１の電極に接続された基板と、
   前記基板の上に配置され、半導体網目構造を形成するナノ設計構造を有する、多孔性半導体層と、
   前記多孔性半導体層の少なくとも一部の上の多孔性触媒材料であって、前記多孔性触媒材料の少なくともいくらかが絡み合い領域を形成するために前記多孔性半導体層の前記ナノ設計構造に入る、多孔性触媒材料と、
   第２の電極であって、燃料、前記多孔性触媒材料および前記多孔性半導体層の間の化学反応中に電位差が前記第１の電極と第２の電極との間に形成される、第２の電極と、
   固体発電機から熱を除去するヒートシンクであって、周囲温度よりも高いヒートシンク温度を有するヒートシンクと、を備える、化学エネルギーを電気に変換するためのエネルギー変換デバイス。
2. 前記基板は三次元表面を形成するためにパターン化され、それによって化学反応のための増加した表面積を提供する、請求項１に記載のエネルギー変換デバイス。
3. 前記多孔性半導体層はナノワイヤーが形成されるようにパターン化される、請求項１に記載のエネルギー変換デバイス。
4. 前記基板は山部と谷部とが形成されるようにテクスチャー化される、請求項１に記載のエネルギー変換デバイス。
5. 前記基板と前記多孔性半導体層との間に非孔質半導体層をさらに含む、請求項１に記載のエネルギー変換デバイス。
6. 前記基板自体は二次元であり平面である、請求項１に記載のエネルギー変換デバイス。
7. 前記基板自体は三次元であり内面および外面を備える、請求項１に記載のエネルギー変換デバイス。
8. 前記基板はリジッドである、請求項１に記載のエネルギー変換デバイス。
9. 前記基板はフレキシブルである、請求項１に記載のエネルギー変換デバイス。
10. 前記基板は折り畳み可能である、請求項１に記載のエネルギー変換デバイス。
11. 固体接合はショットキーダイオードである、請求項１に記載のエネルギー変換デバイス。
12. 固体接合はｐ−ｎ接合である、請求項１に記載のエネルギー変換デバイス。
13. 固体接合は導体−誘電体、誘電体−誘電体、導体−誘電体−導体、または誘電体−導体−誘電体接合である、請求項１に記載のエネルギー変換デバイス。
14. 多孔性半導体層は、結晶、多結晶、または多孔性のＴｉＯ₂、ＳｒＴｉＯ₃、ＢａＴｉＯ₃、Ｓｒ₁₃ｘ−Ｂａ＿ｙ−ＴｉＯ＿ｚ、炭化ホウ素、ＬｉＮｉＯ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＺｎＯ、およびＬａＳｒＶＯ₃、ならびにＰＴＣＤＡ、すなわち、３，４，９，１０−ペリレンテトラカルボン酸−二無水物を含む有機半導体を含む材料の群から選択される半導体材料を備える、請求項１に記載のエネルギー変換デバイス。
15. ナノスケールの導体クラスターは、前記多孔性半導体層の上の不連続な多孔性範囲を有する、請求項１に記載のエネルギー変換デバイス。
16. 導体層は複数のナノスケールのクラスターを備える、請求項１に記載のエネルギー変換デバイス。
17. 前記ナノスケールのクラスターが触媒を備える、請求項１に記載のエネルギー変換デバイス。
18. 電気的に直列に、電気的に並列に、または直列および並列の組合せで接続される、１以上のエネルギー変換デバイスを備える、請求項１に記載のエネルギー変換システム。
19. 熱的に直列に、熱的に並列に、または直列および並列の組合せで接続される１以上のエネルギー変換デバイスを備える、請求項１に記載のエネルギー変換システム。
20. トンネリング寸法よりも大きい寸法を有する１以上のエネルギー変換デバイスの活性表面上にバスバーを備える、請求項１に記載のエネルギー変換システム。
21. 第１の電極と、
    前記第１の電極に接続された基板と、
    前記基板の上に配置され、半導体回路網を形成するナノ設計構造を有する多孔性半導体層と、
    前記多孔性半導体層の少なくとも一部の上の多孔性導体材料であって、前記多孔性導体材料の少なくともいくらかが絡み合い領域を形成するために前記多孔性半導体層の前記ナノ設計構造に入る、多孔性導体材料と、
    第２の電極であって、多孔性導体材料および多孔性半導体層の間の、電位差が前記第１の電極と第２の電極との間に形成される、第２の電極と、
    固体発電機から熱を除去するヒートシンクであって、周囲温度よりも高いヒートシンク温度を有するヒートシンクと、を含む、光起電力エネルギーを電気に変換するためのエネルギー変換デバイス。
22. 前記基板は三次元表面を形成するためにパターン化され、それによって発電／変換のための増加した固体接合の面積を提供する、請求項２１に記載のエネルギー変換デバイス。
23. 前記多孔性半導体層はナノワイヤーが形成されるようにパターン化される、請求項２１に記載のエネルギー変換デバイス。
24. 前記基板は山部と谷部が形成されるようにテクスチャー化される、請求項２１に記載のエネルギー変換デバイス。
25. 前記基板と前記多孔性半導体層との間に非孔質半導体層をさらに含む、請求項２１に記載のエネルギー変換デバイス。
26. 前記基板自体は二次元であり平面である、請求項２１に記載のエネルギー変換デバイス。
27. 前記基板自体は三次元であり内面および外面を備える、請求項２１に記載のエネルギー変換デバイス。
28. 前記基板はリジッドである、請求項２１に記載のエネルギー変換デバイス。
29. 前記基板はフレキシブルである、請求項２１に記載のエネルギー変換デバイス。
30. 前記基板は折り畳み可能である、請求項２１に記載のエネルギー変換デバイス。
31. 前記ヒートシンクは前記多孔性半導体層または前記基板に接続されてもよい、請求項２１に記載のエネルギー変換デバイス。
32. 固体接合はショットキーダイオードである、請求項２１に記載のエネルギー変換デバイス。
33. 固体接合はｐ−ｎ接合である、請求項２１に記載のエネルギー変換デバイス。
34. 固体接合は導体−誘電体、誘電体−誘電体、導体−誘電体−導体、または誘電体−導体−誘電体接合である、請求項２１に記載のエネルギー変換デバイス。

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