JP2022056772A - 発電素子、発電装置、電子機器、及び発電素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発電効率の向上を図ることができる発電素子、発電装置、電子機器、及び発電素子の製造方法を提供する。【解決手段】熱エネルギーを電気エネルギーに変換する発電素子１であって、第１電極１１と、前記第１電極１１と対向して設けられ、前記第１電極１１とは異なる仕事関数を有する第２電極１２と、前記第１電極１１と、前記第２電極１２との間に設けられ、２種類以上の材料を含有するナノ粒子１４１を含む中間部１４と、を備え、前記ナノ粒子１４１は、２０ｗｔ％以上１００ｗｔ％未満の金を含有し、表面に設けられた硫黄原子を有する被膜１４１ａを含むことを特徴とする。【選択図】図１

Description

この発明は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する発電素子、発電装置、電子機器、及び発電素子の製造方法に関する。

近年、熱エネルギーを利用して電気エネルギーを生成する発電素子の開発が盛んに行われている。特に、電極の有する仕事関数の差分を利用した電気エネルギーの生成に関し、例えば特許文献１に開示された熱電素子等が提案されている。このような熱電素子は、電極に与える温度差を利用して電気エネルギーを生成する構成に比べて、様々な用途への利用が期待されている。

特許文献１には、互いに離れて配置された第１の電極層及び第２の電極層と、第１の電極層及び第２の電極層に接触する熱電変換層と、を有する熱電変換素子が開示されている。また、熱電変換層は、導電性材料が非導電性材料で被覆された被覆導電性材料と、分散媒とを含有する熱電変換材料からなり、被覆導電性材料の比抵抗値は、１×１０^１～１×１０^９Ω・ｍである旨が開示されている。

特開２０１９－２１２８２３号公報

特許文献１では、熱電変換層に用いられる金属粒子の一例として、２種類以上の材料を含有する合金が挙げられている。金属粒子として合金を用いることで、耐熱性向上等の素子特性の向上が期待されている。しかしながら、合金は、含有する材料の種類や割合等の条件に伴い、表面に有機分子等を含む被膜を形成できない場合がある。被膜の形成が不十分な金属粒子を熱電変換素子に用いた場合、例えばギャップ内において金属粒子が凝集し易くなり、発電効率の低下を引き起こす懸念が挙げられる。

そこで本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、発電効率の向上を図ることができる発電素子、発電装置、電子機器、及び発電素子の製造方法を提供することにある。

第１発明に係る発電素子は、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、第１電極と、前記第１電極と対向して設けられ、前記第１電極とは異なる仕事関数を有する第２電極と、前記第１電極と、前記第２電極との間に設けられ、２種類以上の材料を含有するナノ粒子を含む中間部と、を備え、前記ナノ粒子は、２０ｗｔ％以上１００ｗｔ％未満の金を含有し、表面に設けられた硫黄原子を有する被膜を含むことを特徴とする。

第２発明に係る発電素子は、第１発明において、前記ナノ粒子は、白金、ロジウム、イリジウム、パラジウムの何れかをさらに含有することを特徴とする。

第３発明に係る発電素子は、第１発明において、前記ナノ粒子は、２０ｗｔ％以上８０ｗｔ％以下の金、及び２０ｗｔ％以上８０ｗｔ％以下の白金のみを含有することを特徴とする。

第４発明に係る発電素子は、第１発明において、前記第２電極と離間し、前記第１電極と接する第１基板と、前記第１電極と離間し、前記第２電極と接する第２基板と、前記第１基板と、前記第２基板との間に設けられ、前記中間部と接する支持部と、をさらに備え、前記支持部は、前記第１基板及び前記第２基板の少なくとも何れかの一部を酸化したものであることを特徴とする。

第５発明に係る発電素子は、第１発明において、前記第２電極と離間し、前記第１電極と接する第１基板をさらに備え、前記第１基板は、半導体であり、前記第１電極と接する縮退部を有することを特徴とする。

第６発明に係る発電装置は、第１発明の発電素子と、前記第１電極と電気的に接続された第１配線と、前記第２電極と電気的に接続された第２配線と、を備えることを特徴とする。

第７発明に係る電子機器は、第１発明の発電素子と、前記発電素子を電源に用いて駆動する電子部品とを備えることを特徴とする。

第８発明に係る発電素子の製造方法は、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、それぞれ仕事関数の異なる第１電極及び第２電極を、離間した状態で固定するギャップ形成工程と、前記第１電極と、前記第２電極との間に、２種類以上の材料を含有するナノ粒子を含む中間部を形成する中間部形成工程と、を備え、前記ナノ粒子は、２０ｗｔ％以上１００ｗｔ％未満の金を含有し、表面に設けられた硫黄原子を有する被膜を含むこと特徴とする。

第１発明～第７発明によれば、ナノ粒子は、２０ｗｔ％以上１００ｗｔ％未満の金を含有し、表面に設けられた硫黄原子を有する被膜を含む。即ち、上記範囲の割合で金を含有したナノ粒子には、表面に被膜を形成させることができる。このため、各電極の間に設けられたナノ粒子の凝集を、抑制することができる。これにより、発電効率の向上を図ることが可能となる。

特に、第２発明によれば、ナノ粒子は、白金、ロジウム、イリジウム、パラジウムの何れかをさらに含有する。即ち、金と同様の結晶構造を持つ材料を含有することで、結晶粒界の発生量を抑制することができる。このため、ナノ粒子における電気的抵抗を低減させることができる。これにより、発電効率のさらなる向上を図ることが可能となる。

特に、第３発明によれば、ナノ粒子は２０ｗｔ％以上８０ｗｔ％以下の金、及び２０ｗｔ％以上８０ｗｔ％以下の白金を含有する。このため、ナノ粒子を介した発電を促進させることができる。これにより、発電効率の更なる向上を図ることが可能となる。

特に、第４発明によれば、支持部は、第１基板及び第２基板の少なくとも何れかの一部を酸化したものである。このため、基板とは別の材料を用いて支持部を設けた場合に比べ、電極間のギャップのバラつきを抑制することができる。これにより、発電効率の安定化を図ることが可能となる。

特に、第５発明によれば、第１基板は、半導体であり、第１電極と接する縮退部を有する。このため、縮退部を有しない場合に比べて、第１電極と第１基板との間における接触抵抗を低減させることができる。これにより、素子全体の抵抗の増加を抑制することが可能となる。

特に、第６発明によれば、発電装置は、発電素子と、第１配線と、第２配線とを備える。このため、発電効率を向上させた発電装置を実現することが可能となる。

特に、第７発明によれば、電子機器は、発電素子と、電子部品とを備える。このため、発電効率を向上させた電子機器を実現することが可能となる。

第８発明によれば、ナノ粒子は、２０ｗｔ％以上１００ｗｔ％未満の金を含有し、表面に設けられた硫黄原子を有する被膜を含む。即ち、上記範囲の割合で金を含有したナノ粒子には、表面に被膜を形成させることができる。このため、中間部形成工程を実施したあと、各電極の間におけるナノ粒子の凝集を、抑制することができる。これにより、発電効率の向上を図ることが可能となる。

図１（ａ）は、本実施形態における発電素子及び発電装置の一例を示す模式断面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）におけるＡ－Ａに沿った模式平面図である。 図２は、中間部の一例を示す模式断面図である。 図３は、本実施形態における発電素子の製造方法の一例を示すフローチャートである。 図４は、ナノ粒子生成工程の一例を示す模式図である。 図５は、被膜形成工程の一例を示す模式図である。 図６（ａ）～図６（ｃ）は、ギャップ形成工程の一例を示す模式断面図である。 図７（ａ）、及び図７（ｂ）は、本実施形態における発電素子及び発電装置の変形例を示す模式断面図である。 図８（ａ）～図８（ｄ）は、発電素子を備えた電子機器の例を示す模式ブロック図であり、図８（ｅ）～図８（ｈ）は、発電素子を含む発電装置を備えた電子機器の例を示す模式ブロック図である。

以下、本発明の実施形態としての発電素子、発電装置、電子機器、及び発電素子の製造方法の一例について、図面を参照しながら説明する。なお、各図において、各電極が積層される高さ方向を第１方向Ｚとし、第１方向Ｚと交差、例えば直交する１つの平面方向を第２方向Ｘとし、第１方向Ｚ及び第２方向Ｘのそれぞれと交差、例えば直交する別の平面方向を第３方向Ｙとする。また、各図における構成は、説明のため模式的に記載されており、例えば各構成の大きさや、構成毎における大きさの対比等については、図とは異なってもよい。

（実施形態：発電素子１、発電装置１００）
図１は、本実施形態における発電素子１、及び発電装置１００の一例を示す模式図である。図１（ａ）は、本実施形態における発電素子１、及び発電装置１００の一例を示す模式断面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）におけるＡ－Ａに沿った模式平面図である。

（発電装置１００）
図１（ａ）に示すように、発電装置１００は、発電素子１と、第１配線１０１と、第２配線１０２とを備える。発電素子１は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する。このような発電素子１を備えた発電装置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として、発電素子１から発生した電気エネルギーを、第１配線１０１及び第２配線１０２を介して負荷Ｒへ出力する。負荷Ｒの一端は第１配線１０１と電気的に接続され、他端は第２配線１０２と電気的に接続される。負荷Ｒは、例えば電気的な機器を示す。負荷Ｒは、例えば発電装置１００を主電源又は補助電源に用いて駆動される。

発電素子１の熱源としては、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等の電子デバイス又は電子部品、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）等の発光素子、自動車等のエンジン、工場の生産設備、人体、太陽光、及び環境温度等が挙げられる。例えば、電子デバイス、電子部品、発光素子、エンジン、及び生産設備等は、人工熱源である。人体、太陽光、及び環境温度等は自然熱源である。発電素子１を備えた発電装置１００は、例えばＩｏＴ（Internet of Things）デバイス及びウェアラブル機器等のモバイル機器や自立型センサ端末の内部に設けることができ、電池の代替又は補助として用いることができる。さらに、発電装置１００は、太陽光発電等のような、より大型の発電装置への応用も可能である。

（発電素子１）
発電素子１は、例えば、上記人工熱源が発した熱エネルギー、又は上記自然熱源が持つ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。発電素子１は、発電装置１００内に設けるだけでなく、発電素子１自体を、上記モバイル機器や上記自立型センサ端末等の内部に設けることもできる。この場合、発電素子１自体が、上記モバイル機器又は上記自立型センサ端末等の、電池の代替部品又は補助部品となり得る。

発電素子１は、例えば図１（ａ）に示すように、第１電極１１と、第２電極１２と、中間部１４とを備える。発電素子１は、例えば第１基板１５と、第２基板１６とを備えてもよいほか、支持部１７を備えてもよい。

第１電極１１及び第２電極１２は、互いに対向して設けられる。第１電極１１及び第２電極１２は、それぞれ異なる仕事関数を有する。中間部１４は、例えば図２に示すように、第１電極１１と、第２電極１２との間（ギャップＧ）を含む空間１４０に設けられる。中間部１４は、ナノ粒子１４１を含む。

ナノ粒子１４１は、２種類以上の材料を含有する。ナノ粒子１４１は、２０ｗｔ％以上１００ｗｔ％未満の金を含有する。ナノ粒子１４１は、被膜１４１ａを含む。被膜１４１ａは、ナノ粒子１４１の表面に設けられ、硫黄原子を有する。

例えばナノ粒子が、２０ｗｔ％未満の金を含有する場合、ナノ粒子の表面に被膜を形成することが困難となる場合がある。この場合、ギャップＧのような狭い空間にナノ粒子を設ける際、ナノ粒子同士の凝集が発生し易くなり、発電効率の低下を引き起こす懸念が挙げられる。また、例えばナノ粒子が、１００ｗｔ％の金を含有する場合、１種類の材料のみからなるナノ粒子を示すため、合金を用いた場合に期待される耐熱性向上等の素子特性の向上を実現できない。

これらに対し、本実施形態における発電素子１では、ナノ粒子１４１は、２０ｗｔ％以上１００ｗｔ％未満の金を含有し、表面に設けられた硫黄原子を有する被膜１４１ａを含む。即ち、上記範囲の割合で金を含有したナノ粒子１４１には、後述する第１実施例に示すように、表面に被膜１４１ａを形成させることができる。このため、各電極１１、１２の間に設けられたナノ粒子の凝集を、抑制することができる。これにより、発電効率の向上を図ることが可能となる。

上記のほか、例えばナノ粒子１４１は、２０ｗｔ％以上８０ｗｔ％以下の金、及び２０ｗｔ％以上８０ｗｔ％以下の白金の２種類の材料を含有してもよい。

例えばナノ粒子が、２０ｗｔ％未満の金、及び８０ｗｔ％を超える白金の少なくとも何れかを含有する場合、上記と同様に、ナノ粒子の表面に被膜を形成することが困難となる場合がある。また、例えばナノ粒子が、８０ｗｔ％を超える金、２０ｗｔ％未満の白金の少なくとも何れかを含有する場合、合金に期待される素子特性の向上を、十分に得られない懸念が挙げられる。

これらに対し、本実施形態における発電素子１では、例えばナノ粒子１４１は、２０ｗｔ％以上８０ｗｔ％以下の金、及び２０ｗｔ％以上８０ｗｔ％以下の白金の２種類の材料を含有してもよい。この場合、後述する第２実施例に示すように、ナノ粒子１４１を介した発電を促進させることができる。これにより、発電効率の更なる向上を図ることが可能となる。なお、上記範囲のナノ粒子１４１を生成する際、例えば金及び白金以外の材料が、１ｗｔ％程度含有する場合がある。この場合においても、ナノ粒子１４１の特性への影響は僅かである。このため、ナノ粒子１４１の含有する主な材料が、上記範囲の金及び白金であれば、ナノ粒子１４１を介した発電を促進させることができる。

以下、各構成についての詳細を説明する。

＜第１電極１１、第２電極１２＞
第１電極１１及び第２電極１２は、例えば図１（ａ）に示すように、第１方向Ｚに離間する。第２電極１２は、第１電極とは異なる仕事関数を有する。各電極１１、１２は、例えば第２方向Ｘ及び第３方向Ｙに延在し、複数設けられてもよい。例えば１つの第２電極１２は、複数の第１電極１１とそれぞれ異なる位置で対向して設けられてもよい。また、例えば１つの第１電極１１は、複数の第２電極１２とそれぞれ異なる位置で対向して設けられてもよい。

第１電極１１及び第２電極１２の材料として、導電性を有する材料が用いられる。第１電極１１及び第２電極１２の材料として、それぞれ異なる仕事関数を有する材料が用いられる。なお、各電極１１、１２に同一の材料を用いてもよく、この場合、それぞれ異なる仕事関数を有していればよい。

各電極１１、１２の材料として、例えば鉄、アルミニウム、銅等の単一元素からなる材料が用いられるほか、例えば２種類以上の元素からなる合金の材料が用いられてもよい。各電極１１、１２の材料として、例えば非金属導電物が用いられてもよい。非金属導電物の例としては、シリコン（Ｓｉ：例えばｐ型Ｓｉ、あるいはｎ型Ｓｉ）、及びグラフェン等のカーボン系材料等を挙げることができる。

第１電極１１及び第２電極１２の第１方向Ｚに沿った厚さは、例えば４ｎｍ以上１μｍ以下である。第１電極１１及び第２電極１２の第１方向Ｚに沿った厚さは、例えば４ｎｍ以上５０ｎｍ以下でもよい。

第１電極１１と、第２電極１２との間の距離を示すギャップＧは、例えば図２に示すように、第１方向Ｚに沿った長さを示す。例えばギャップＧを短くすることで、発電素子１の発電効率を向上させることができる。また、例えばギャップＧを短くすることで、発電素子１の第１方向Ｚに沿った厚さを薄くすることができる。これらのため、ギャップＧは、短いほうが望ましい。

ギャップＧは、例えば１０μｍ以下の有限値である。ギャップＧは、例えば１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。ギャップＧは、例えば支持部１７の厚さに依存するほか、例えば同一基板上に各電極１１、１２を設ける場合には、各電極１１、１２の配置条件に依存する。

＜中間部１４＞
中間部１４は、各電極１１、１２の間に形成された空間１４０内に設けられる。中間部１４は、各電極１１、１２の互いに対向する主面に接するほか、例えば各電極１１、１２の側面に接してもよい。

中間部１４は、ナノ粒子１４１を含むほか、例えば溶媒１４２を含んでもよい。中間部１４は、例えば複数種類のナノ粒子１４１を含んでもよい。

ナノ粒子１４１は、例えば溶媒１４２内に分散される。ナノ粒子１４１の粒子径は、例えばギャップＧよりも小さい。ナノ粒子１４１の粒子径は、例えばギャップＧの１／１０以下の有限値とされる。ナノ粒子１４１の粒子径を、ギャップＧの１／１０以下とすると、空間１４０内にナノ粒子１４１を含む中間部１４を、形成しやすくなる。これにより、発電素子１を生成する際、作業性を向上させることが可能となる。

ナノ粒子１４１は、例えば導電物を含む。ナノ粒子１４１の仕事関数の値は、例えば、第１電極１１の仕事関数の値と、第２電極１２の仕事関数の値との間にあるほか、例えば第１電極１１の仕事関数の値と、第２電極１２の仕事関数の値との間以外であってもよく、任意である。

ナノ粒子１４１は、例えば金と、金以外の１種類以上の材料とを含有する。ナノ粒子１４１に含有される材料として、例えば金、白金、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、パラジウム等が用いられる。特に、ナノ粒子１４１に金を含有する場合、金と同様の結晶構造（面心立方格子）を持つ白金、ロジウム、イリジウム、パラジウムの何れかを含有した合金とすることが好ましい。この場合、例えばナノ粒子１４１を形成する際、結晶粒界の発生量を抑制することができる。このようなナノ粒子１４１を用いた発電素子１は、発電効率の向上を図ることが可能となる。

ここで、「ナノ粒子」とは、複数の粒子を含んだものを示す。ナノ粒子１４１は、例えば２ｎｍ以上１０ｎｍ以下の粒子径を有する粒子を含む。ナノ粒子１４１は、例えば、平均粒径（例えばＤ５０）が３ｎｍ以上８ｎｍ以下の粒子径を有する粒子を含んでもよい。平均粒径は、例えば粒度分布計測器を用いることで、測定することができる。粒度分布計測器としては、例えば、レーザー回折散乱法を用いた粒度分布計測器（例えばMicrotracBEL製Nanotrac WaveII-EX150等）を用いればよい。

ナノ粒子１４１の表面に設けられた被膜１４１ａは、硫黄原子を有する。硫黄原子は、金原子に対して高い結合親和性を持つため、金を含有したナノ粒子１４１の表面において、被膜１４１ａを容易に形成することができる。被膜１４１ａとして、例えばチオール基又はジスルフィド基を有する材料が用いられる。チオール基を有する材料として、例えばドデカンチオール等のアルカンチオールが用いられる。ジスルフィド基を有する材料として、例えばアルカンジスルフィド等が用いられる。

被膜１４１ａの厚さは、例えば２０ｎｍ以下の有限値である。このような被膜１４１ａをナノ粒子１４１の表面に設けることで、例えば空間１４０内におけるナノ粒子１４１の凝集を抑制することができる。また、例えば電子が、第１電極１１とナノ粒子１４１との間、及び第２電極１２とナノ粒子１４１との間を、トンネル効果等を利用して移動する可能性を高めることが可能となる。

溶媒１４２には、例えば沸点が６０℃以上の液体を用いることができる。このため、室温（例えば１５℃～３５℃）以上の環境下において、発電素子１を用いた場合であっても、溶媒１４２の気化を抑制することができる。これにより、溶媒１４２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等を挙げることができる。なお、溶媒１４２として、例えば電気的抵抗値が高く、絶縁性である液体が用いられる。

なお、中間部１４は、例えば溶媒１４２を含まず、ナノ粒子１４１のみを含むようにしてもよい。例えば中間部１４が、ナノ粒子１４１のみを含む場合、発電素子１を高温環境下で用いても溶媒１４２の気化を考慮する必要が無い。これにより、高温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。

＜第１基板１５、第２基板１６＞
第１基板１５は、例えば図１（ａ）に示すように、第１電極１１と接し、第２電極１２と離間する。第１基板１５は、第１電極１１を固定する。第２基板１６は、第２電極１２と接し、第１電極１１と離間する。第２基板１６は、第２電極１２を固定する。第１基板１５及び第２基板１６は、例えば各電極１１、１２及び中間部１４を挟み、第１方向Ｚに離間して設けられる。

各基板１５、１６の第１方向Ｚに沿った厚さは、例えば１０μｍ以上２ｍｍ以下である。各基板１５、１６の厚さは、任意に設定することができる。各基板１５、１６の形状は、例えば正方形や長方形の四角形のほか、円盤状等でもよく、用途に応じて任意に設定することができる。

各基板１５、１６として、例えば絶縁性を有する板状の部材を用いることができ、例えばシリコン、石英、パイレックス（登録商標）等の公知の部材を用いることができる。各基板１５、１６は、例えばフィルム状の部材が用いられてもよく、例えばＰＥＴ（polyethylene terephthalate）、ＰＣ（polycarbonate）、及びポリイミド等の公知のフィルム状部材が用いられてもよい。

各基板１５、１６として、例えば導電性を有する部材を用いることができ、例えば鉄、アルミニウム、銅、又はアルミニウムと銅との合金等を挙げることができる。また、各基板１５、１６としては、例えばＳｉ、ＧａＮ等の導電性を有する半導体の他、導電性高分子等の部材を用いてもよい。各基板１５、１６に導電性を有する部材を用いる場合、各電極１１、１２に接続するための配線が不要となる。

例えば、第１基板１５が半導体の場合、第１電極１１と接する縮退部を有してもよい。この場合、縮退部を有しない場合に比べて、第１電極と第１基板との間における接触抵抗を低減させることができる。また、第１基板１５は、第１電極１１と接する面とは異なる表面に、縮退部を有してもよい。この場合、第１基板１５と電気的に接続される配線（例えば第１配線１０１）との接触抵抗を低減させることができる。

例えば図１（ａ）に示す発電素子１を複数用いて積層する場合、第１基板１５及び第２基板１６として、半導体を用いてもよい。この場合、各発電素子１の積層に伴い接する各基板１５、１６の接触面に縮退部を設けることで、接触抵抗を低減させることができる。

上述した縮退部は、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成される。

なお、半導体の第１基板１５にドープされる不純物として、ｎ型であればＰ、Ａｓ、Ｓｂ等、ｐ型であればＢ、Ｂａ、Ａｌ等の公知の不純物が挙げられる。また、縮退部の不純物の濃度は、例えば、１×１０^１９イオン／ｃｍ^３であれば、電子を効率よく放出させることができる。

例えば、第１基板１５が半導体の場合、第１基板１５の比抵抗値は、例えば１×１０^－６Ω・ｃｍ以上１×１０^６Ω・ｃｍ以下であればよい。第１基板１５の比抵抗値が１×１０^－６Ω・ｃｍを下回ると、材料の選定が難しい。また、第１基板１５の比抵抗値が１×１０^６Ω・ｃｍよりも大きいと、電流のロスが増大する懸念がある。

なお、上記では、第１基板１５が半導体の場合について説明したが、第２基板１６が半導体でもよい。この場合、上記と同様のため、説明を省略する。

＜支持部１７＞
支持部１７は、例えば第１基板１５と、第２基板１６との間に設けられ、中間部１４と接する。支持部１７は、例えばギャップＧに沿って設けられる。支持部１７は、各電極１１、１２に接して設けられるほか、例えば各基板１５、１６に接して設けられてもよく、例えば図１（ａ）に示すように、第１基板１５、及び第２電極１２と接して設けられてもよい。

支持部１７は、例えば図１（ｂ）に示すように、第２方向Ｘに沿って延在する。支持部１７は、例えば中間部１４の漏れを防ぐために設けられ、例えば支持部１７の側面に接する封止部２１を設けることで、中間部１４を密閉することができる。

支持部１７として、例えば絶縁性を有する材料が用いられる。支持部１７として、例えばシリコン酸化物、及びポリマー等を挙げることができる。ポリマーの例としては、ポリイミド、ＰＭＭＡ（polymethyl methacrylate）、及びポリスチレン等を挙げることができる。

なお、支持部１７は、例えば第１基板１５及び第２基板１６の少なくとも何れかの一部を、酸化させて設けられてもよい。この場合、支持部１７を容易に設けることができる。

なお、例えば支持部１７を設けずに、中間部１４を密閉するように、各基板１５、１６同士を接合してもよい。この場合、支持部１７を形成する際のバラつきを考慮する必要が無いため、ギャップＧを高精度に保つことができる。

＜発電素子１の動作例＞
例えば、熱エネルギーが発電素子１に与えられると、第１電極１１と第２電極１２との間に電流が発生し、熱エネルギーが電気エネルギーに変換される。第１電極１１と第２電極１２との間に発生する電流量は、熱エネルギーに依存する他、第２電極１２の仕事関数と、第１電極１１の仕事関数との差に依存する。

発生する電流量は、例えば第１電極１１と第２電極１２との仕事関数差を大きくすること、及びギャップＧを小さくすることで、増やすことができる。例えば、発電素子１が発生させる電気エネルギーの量は、上記仕事関数差を大きくすること、及び上記ギャップＧを小さくすること、の少なくとも何れか１つを考慮することで、増加させることができる。また、各電極１１、１２の間に、ナノ粒子１４１を設けることで、各電極１１、１２の間を移動する電子の量を増大させることができ、電流量の増加に繋げることが可能となる。

なお、「仕事関数」とは、固体内にある電子を真空中に取出すために必要な最小限のエネルギーを示す。仕事関数は、例えば、紫外光電子分光法（ＵＰＳ：Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy）、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ：X-ray Photoelectron Spectroscopy）やオージェ電子分光法（ＡＥＳ：Auger Electron Spectroscopy）を用いて測定することができる。

（実施形態：発電素子１の製造方法）
次に、本実施形態における発電素子１の製造方法の一例を説明する。図３は、本実施形態における発電素子１の製造方法の一例を示すフローチャートである。

発電素子１の製造方法は、ギャップ形成工程Ｓ１１０と、中間部形成工程Ｓ１２０とを備え、例えばナノ粒子生成工程Ｓ２１０と、被膜形成工程Ｓ２２０とを備えてもよい。

＜ナノ粒子生成工程Ｓ２１０＞
ナノ粒子生成工程Ｓ２１０は、２種類以上の材料を含有するナノ粒子１４１を生成する。ナノ粒子生成工程Ｓ２１０は、例えば図４に示すように、金属イオンが溶解した液体２０１に、フェムト秒パルスレーザー２０３を照射して金属ナノ粒子（ナノ粒子１４１）を生成する。液体２０１は、金属イオンが溶解した金属溶媒であり、筐体２０２に入れられている。

筐体２０２は、例えば石英キュベットである。液体２０１として、例えば水が用いられる。金属イオンとしては、金、白金、ロジウム、ルテニウム、イリジウム、パラジウム等の２種類以上の金属イオンが用いられる。例えば、金イオンと白金イオンとを１対１で溶解した液体２０１を用いる場合、金と白金との比率が１対１（即ち、金及び白金の組成割合が、５０ｗｔ％及び５０ｗｔ％）で構成された合金の金属ナノ粒子を生成することができる。

フェムト秒パルスレーザー２０３は、図示しない光源から照射されるレーザービームであり、集光レンズ２０４により集光されて、液体２０１に照射される。フェムト秒パルスレーザー２０３は、非常に短い時間幅（例えば１０^-15秒）を有するパルスレーザーである。フェムト秒パルスレーザー２０３が液体２０１に照射されると、液体２０１中の水分子が分解されてラジカルが生成され、生成されたラジカル（例えば水素ラジカル）により金属イオンが還元されることにより、ナノ粒子１４１が生成される。このように、液体２０１にフェムト秒パルスレーザー２０３を照射することにより、２種類以上の材料を含有したナノ粒子１４１が生成される。

フェムト秒パルスレーザー２０３は、例えばSpectra Physics社製のSpitfire Proを光源として生成することができ、例えば下記の特性を有するものである。
発振波長：８００ｎｍ
パルス幅：１００ｆｓ
エネルギー：５－６ｍＪ
繰り返し周波数：１００Ｈｚ（出力０．５－０．６Ｗ）
このような特性のレーザーを、例えばＮＡ０．５でフォーカシングして３０分照射する。

＜被膜形成工程Ｓ２２０＞
被膜形成工程Ｓ２２０は、例えばナノ粒子１４１の表面に、硫黄原子を有する被膜１４１ａを形成する。被膜形成工程Ｓ２２０では、例えば図５（ａ）に示すように、混合容器２１１内に、ナノ粒子生成工程Ｓ２１０で生成されたナノ粒子１４１を含む液体２０１が供給される。

次に、図５（ｂ）に示すように、混合容器２１１内に、相間移動用溶媒２０６を供給し、液体２０１と、相間移動用溶媒２０６とを混合する。この時点では、例えばナノ粒子１４１を含む液体２０１の層の上に、相間移動用溶媒２０６の層が分離してもよい。

なお、相間移動用溶媒２０６として、例えばトルエン等を挙げることができる。相間移動用溶媒２０６には、ナノ粒子１４１の表面に被膜１４１ａを形成するために、表面修飾剤（分散剤）が含まれる。分散剤として、硫黄原子を有する材料が用いられ、例えばチオール基又はジスルフィド基を有する材料が用いられる。チオール基を有する材料として、例えばドデカンチオール等のアルカンチオールが用いられる。ジスルフィド基を有する材料として、例えばアルカンジスルフィド等が用いられる。分散剤の濃度は、例えば１．０×１０^－５ｍоｌ／ｄｍ^３であり、任意に設定できる。

次に、図５（ｃ）に示すように、混合容器２１１内の相間移動用溶媒２０６と、ナノ粒子１４１を含む液体２０１とを撹拌する。この撹拌は、例えば混合容器２１１全体に一定時間振動を与える（例えば、容器自体を回転させる等により撹拌する）ことにより行う。この撹拌の過程で、ナノ粒子１４１の表面に対して分散剤が結合する。なお、相間移動用溶媒２０６と液体２０１との撹拌は、撹拌棒を使用して撹拌するほか、例えば撹拌子を用いてもよく、遠心分離機等を用いてもよい。ここでの撹拌時間は、例えば５分とすることで、ナノ粒子１４１の表面に分散剤が結合し易くなる。また、撹拌時間を長くし過ぎると、粒子同士の物理的接触に起因して粒成長が起こる場合がある。このため、撹拌時間は、５分以上１０分以下の範囲内であることが望ましい。

その後、混合容器２１１を静置する。混合容器２１１を５分程度静置することで、例えば図５（ｄ）に示すように、一部のナノ粒子１４１が、相間移動用溶媒２０６側に移動する。ナノ粒子１４１の表面に被膜１４１ａが形成されることで、ナノ粒子１４１が液体２０１から相間移動用溶媒２０６内に移動する傾向を示す。他方、ナノ粒子１４１の表面に被膜１４１ａが形成されない場合、ナノ粒子１４１が液体２０１内に留まる傾向を示す（例えば図５（ｄ）の１４１ｓ、１４１ｔ）。即ち、相間移動用溶媒２０６内のナノ粒子１４１を採取することで、被膜１４１ａを含むナノ粒子１４１を取得することができる。

例えば、被膜形成工程Ｓ２２０を実施し、相間移動用溶媒２０６内のナノ粒子１４１を採取できない場合がある。この場合、ナノ粒子１４１には被膜１４１ａが形成されていないと判断することができる。

＜ギャップ形成工程Ｓ１１０＞
ギャップ形成工程Ｓ１１０は、それぞれ仕事関数の異なる第１電極１１及び第２電極１２を、離間した状態で固定する。ギャップ形成工程Ｓ１１０では、例えば図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すように、先ず各電極１１、１２を形成する。第１電極１１は、例えば第１基板１５上に形成する。第２電極１２は、例えば第２基板１６上に形成する。各電極１１、１２は、例えば公知の技術により形成される。

例えば、各基板１５、１６上、及び各電極１１、１２上の何れかには、支持部１７を形成してもよい。支持部１７は、例えば公知の技術により形成される。

なお、第１基板１５の一部を酸化させて支持部１７を形成する場合は、第１電極１１を形成する前に行われる。先ず、第１基板１５を高温でアニール処理して第１基板１５に酸化膜を形成する。その後、酸化膜に対してレジスト塗布、露光、エッチング法等を用いて、酸化膜の一部を除去することで、酸化膜の残った部分が、支持部１７として形成される。その後、支持部１７の形成されていない第１基板１５上に、第１電極１１を形成する。

各電極１１、１２を形成後、必要に応じてダイシングにより各基板１５、１６を切断する。その後、例えば図６（ｃ）に示すように、第１電極１１と、第２電極１２とを対向させた状態で、各基板１５、１６を積層する。この際、熱圧着等の公知の技術により、支持部１７が、第２基板１６等に固設される。これにより、各電極１１、１２が離間した状態で固定される。

＜中間部形成工程：Ｓ１２０＞
中間部形成工程Ｓ１２０は、第１電極１１と、第２電極１２との間に、ナノ粒子１４１を含む中間部１４を形成する。中間部形成工程Ｓ１２０は、空間１４０に、中間部１４を形成する。中間部１４は、例えばナノ粒子１４１を分散させた溶媒１４２を、毛細管現象等の公知の技術を用いて空間１４０に注入する。

その後、例えば図１（ｂ）に示すような、封止部２１等を形成することで、本実施形態における発電素子１が形成される。なお、形成された発電素子１に、例えば図１（ａ）に示す各配線１０１、１０２等を接続させることで、本実施形態における発電装置１００が形成される。

（実施形態：発電素子１、発電装置１００の変形例）
次に、本実施形態における発電素子１、及び発電装置１００の変形例について説明する。上述した実施形態と、変形例との違いは、上述した第１電極１１と、第１基板１５とが、同一材料で構成されている点である。なお、上述した構成と同様の内容については、説明を省略する。

例えば図７（ａ）に示すように、第１電極１１は、中間部１４と接する第１主面１１ｆと、第１主面１１ｆの反対側の表面に位置する第２主面１１ｓとを有する。第２主面１１ｓは、例えば第１配線１０１と接する。このような構成の場合、例えば図７（ｂ）に示すように、第１電極１１、中間部１４、第２電極１２を１つの素子（図７（ｂ）では１ａ、１ｂ、１ｃ、・・・）として、容易に積層構造を設けることができる。

第１電極１１として、上述した材料が用いられるほか、例えば上述した第１基板１５に用いられる材料が用いられてもよい。即ち、例えば第１電極１１は、半導体であり、第１主面１１ｆ及び第２主面１１ｓの少なくとも何れかに縮退部を有してもよい。このため、縮退部を有しない場合に比べて、積層時における接触抵抗を低減させることができる。これにより、発電素子１全体の抵抗の増加を抑制することが可能となる。

上記のほか、例えば支持部１７は、第１電極１１の一部を酸化したものでもよい。この場合、第１電極１１とは別の材料を用いて支持部１７を設けた場合に比べ、ギャップＧのバラつきを抑制することができる。これにより、発電効率の安定化を図ることが可能となる。

（実施形態：電子機器５００）
＜電子機器５００＞
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、電子機器の実施形態のいくつかを説明する。

図８（ａ）～図８（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８（ｅ）～図８（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。

図８（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。

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、モーター、センサ端末、及び照明等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、内蔵されたマスター（ＣＰＵ）によって制御可能な電子機器が含まれる。電子部品５０１が、例えば、モーター、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、外部にあるマスター、あるいは人によって制御可能な電子機器が含まれる。

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。

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。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。

図８（ｂ）に示すように、主電源５０２は、発電素子１とされてもよい。図８（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、独立した電源（例えばオフグリッド電源）である。このため、電子機器５００は、例えば自立型（スタンドアローン型）にできる。しかも、発電素子１は、環境発電型（エナジーハーベスト型）である。図８（ｂ）に示す電子機器５００は、電池の交換が不要である。

図８（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のアノードは、例えば、回路基板（図示は省略する）のＧＮＤ配線と電気的に接続される。発電素子１のカソードは、例えば、回路基板（図示は省略する）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。

図８（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８（ｅ）～図８（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。

図８（ｄ）に示した実施形態は、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８（ｈ）に示した実施形態は、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。これらの実施形態では、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。そのような電子機器５００の例は、センサである。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（マスター）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。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。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ワイヤレスタグ等が、さらに含まれる。

図８（ａ）～図８（ｈ）のそれぞれに示した実施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。

電子機器５００は、独立した電源を備えた自律型（オートノマス型）であってもよい。自律型の電子機器の例は、例えばロボット等を挙げることができる。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。自律型の電子部品の例は、例えば可動センサ端末等を挙げることができる。

（第１実施例）
次に、本実施形態における発電素子１の第１実施例について説明する。

第１実施例では、組成割合条件の異なるナノ粒子を複数生成し、ナノ粒子に被膜が形成される度合いを確認した。この結果より、発電素子１の材料として用いる際、凝集を抑制できるナノ粒子の組成割合を、明確にすることができた。以下、詳細を説明する。

第１実施例では、表１に示すように、実施例１～実施例５、比較例１及び比較例２に示す組成割合のナノ粒子を、試料としてそれぞれ準備して評価した。各試料は、上述したナノ粒子生成工程Ｓ２１０に準ずる方法により生成した。なお、ナノ粒子生成工程Ｓ２１０において、液体に溶解する金イオン及び白金イオンの比を変更させることで、試料毎に異なる組成割合のナノ粒子を生成した。

各試料の評価は、上述した被膜形成工程Ｓ２２０に準ずる方法を実施し、被膜したナノ粒子の採取可否を評価基準とした。なお、被膜形成工程Ｓ２２０を実施する際、相間移動用溶媒としてトルエンを用い、分散剤（被膜の材料）として１－ドデカンチオールを用いた。また、相間移動用溶媒と液体との撹拌時間は、５分とした。また、撹拌後の静置時間を５分とした。

第１実施例の評価結果は、表１における「相間移動後のナノ粒子採取可否」に記載した通りである。実施例１～５、及び比較例１では、被膜したナノ粒子を採取可能であった。これに対し、比較例２では、被膜したナノ粒子を採取できなかった。なお、比較例１は、金の組成割合が１００％であり、合金（２種類以上の材料を含有）とは異なるため、比較例として評価した。

上記を踏まえ、ナノ粒子は、２０ｗｔ％以上１００ｗｔ％未満の金を含有した場合、表面に１－ドデカンチオールが被膜として設けられることを確認した。なお、第１実施例では、１－ドデカンチオールのみを分散剤として用いたが、硫黄原子の特徴（即ち、金原子に対して高い結合親和性を持つ）を踏まえると、少なくともチオール基又はジスルフィド基を有する分散剤を用いた場合においても、同様の結果を得られることが想定できる。また、第１実施例では、金と白金との合金を試料として用いたが、上述した硫黄原子の特徴を踏まえると、白金以外の材料を用いた場合においても、同様の結果を得られることが想定できる。

（第２実施例）
次に、本実施形態における発電素子１の第２実施例について説明する。

第２実施例では、第１実施例にて生成及び採取した、被膜形成後のナノ粒子を発電素子に注入し、発生する電圧を計測した。この結果より、ナノ粒子を介した発電を促進させる際に必要となるナノ粒子の組成割合を、明確にすることができた。以下、詳細を説明する。

第２実施例では、第１実施例にて生成及び採取した、それぞれ組成割合の異なるナノ粒子のうち、実施例１、実施例５、及び比較例１に対応するナノ粒子を、それぞれトルエンに分散させたものを試料として評価した。なお、トルエンに分散させたナノ粒子の濃度は、それぞれ２０％とした。

また、第２実施例では、基板に固定された電極を２つ用意し、一方の電極上に支持部を形成し、支持部を介して他方の電極を積層することで、電極間の距離（ギャップ）を１０μｍとした計測用の素子を形成した。なお、基板の材料として、石英を用いた。また、２つの電極の材料として、アルミニウム及び白金を用いた。また、支持部としてサイトップ（登録商用）を用いた。なお、ギャップは、精密位置決めステージを利用した電極間微小ギャップ形成装置（株式会社三明製）を用い、電極間の静電容量からギャップを計測した。

上記より生成した計測用の素子に試料を注入し、５００ｋΩの抵抗を接続した状態で電圧を計測した。計測結果は、表２における「電圧」に記載した通りである。なお、記載した値は、比較例１にて得られた電圧を１としたときの相対値である。実施例１及び実施例３は、比較例１に比べて、２．３倍の値が得られた。また、実施例５は、比較例１に比べて、２．４倍の値が得られた。

上記を踏まえ、ナノ粒子は、２０ｗｔ％以上８０ｗｔ％以下の金、及び２０ｗｔ％以上８０ｗｔ％以下の白金を含有した場合、発電素子の電圧値が上昇することを確認した。

本実施形態によれば、ナノ粒子１４１は、２０ｗｔ％以上１００ｗｔ％未満の金を含有し、表面に設けられた硫黄原子を有する被膜１４１ａを含む。即ち、上記範囲の割合で金を含有したナノ粒子１４１には、表面に被膜１４１ａを形成させることができる。このため、各電極１１、１２の間に設けられたナノ粒子１４１の凝集を、抑制することができる。これにより、発電効率の向上を図ることが可能となる。

また、本実施形態によれば、ナノ粒子１４１は、白金、ロジウム、イリジウム、パラジウムの何れかをさらに含有する。即ち、金と同様の結晶構造を持つ材料を含有することで、結晶粒界の発生量を抑制することができる。このため、ナノ粒子１４１における電気的抵抗を低減させることができる。これにより、発電効率のさらなる向上を図ることが可能となる。

また、本実施形態によれば、ナノ粒子１４１は２０ｗｔ％以上８０ｗｔ％以下の金、及び２０ｗｔ％以上８０ｗｔ％以下の白金を含有する。このため、ナノ粒子１４１を介した発電を促進させることができる。これにより、発電効率の更なる向上を図ることが可能となる。

また、本実施形態によれば、支持部１７は、第１基板１５及び第２基板１６の少なくとも何れかの一部を酸化したものである。このため、基板１５とは別の材料を用いて支持部１７を設けた場合に比べ、電極間のギャップＧのバラつきを抑制することができる。これにより、発電効率の安定化を図ることが可能となる。

また、本実施形態によれば、第１基板１５は、半導体であり、第１電極１１と接する縮退部を有する。このため、縮退部を有しない場合に比べて、第１電極１１と第１基板１５との間における接触抵抗を低減させることができる。これにより、素子全体の抵抗の増加を抑制することが可能となる。

また、本実施形態によれば、発電装置１００は、発電素子１と、第１配線１０１と、第２配線１０２とを備える。このため、発電効率を向上させた発電装置１００を実現することが可能となる。

また、本実施形態によれば、電子機器５００は、発電素子１と、電子部品５０１とを備える。このため、発電効率を向上させた電子機器５００を実現することが可能となる。

また、本実施形態における発電素子１の製造方法によれば、ナノ粒子１４１は、２０ｗｔ％以上１００ｗｔ％未満の金を含有し、表面に設けられた硫黄原子を有する被膜１４１ａを含む。即ち、上記範囲の割合で金を含有したナノ粒子１４１には、表面に被膜１４１ａを形成させることができる。このため、中間部形成工程Ｓ１２０を実施したあと、各電極１１、１２の間におけるナノ粒子１４１の凝集を、抑制することができる。これにより、発電効率の向上を図ることが可能となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、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とその均等の範囲に含まれる。

１ ：発電素子
１１ ：第１電極
１２ ：第２電極
１４ ：中間部
１５ ：第１基板
１６ ：第２基板
１７ ：支持部
２１ ：封止部
１００ ：発電装置
１０１ ：第１配線
１０２ ：第２配線
１４０ ：空間
１４１ ：ナノ粒子
１４１ａ ：被膜
１４２ ：溶媒
２０１ ：液体
２０２ ：筐体
２０３ ：フェムト秒パルスレーザー
２０４ ：集光レンズ
２０６ ：相間移動用溶媒
２１１ ：混合容器
５００ ：電子機器
５０１ ：電子部品
５０２ ：主電源
５０３ ：補助電源
Ｇ ：ギャップ
Ｒ ：負荷
Ｓ１１０ ：ギャップ形成工程
Ｓ１２０ ：中間部形成工程
Ｓ２１０ ：ナノ粒子生成工程
Ｓ２２０ ：被膜形成工程
Ｚ ：第１方向
Ｘ ：第２方向
Ｙ ：第３方向

第１発明に係る発電素子は、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、第１電極と、前記第１電極と対向して設けられ、前記第１電極とは異なる仕事関数を有する第２電極と、前記第１電極と、前記第２電極との間に設けられ、２種類以上の材料を含有するナノ粒子を含む中間部と、を備え、前記ナノ粒子は、２０ｗｔ％以上１００ｗｔ％未満の金を含有し、表面に設けられたチオール基又はジスルフィド基を有する被膜を含み、白金、ロジウム、イリジウム、パラジウムの何れかをさらに含有することを特徴とする。

第２発明に係る発電素子は、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、第１電極と、前記第１電極と対向して設けられ、前記第１電極とは異なる仕事関数を有する第２電極と、前記第１電極と、前記第２電極との間に設けられ、２種類以上の材料を含有するナノ粒子を含む中間部と、を備え、前記ナノ粒子は、２０ｗｔ％以上８０ｗｔ％以下の金、及び２０ｗｔ％以上８０ｗｔ％以下の白金の２種類の材料を含有し、表面に設けられたチオール基又はジスルフィド基を有する被膜を含むことを特徴とする。

第３発明に係る発電素子は、第１発明又は第２発明において、前記第２電極と離間し、前記第１電極と接する第１基板と、前記第１電極と離間し、前記第２電極と接する第２基板と、前記第１基板と、前記第２基板との間に設けられ、前記中間部と接する支持部と、をさらに備え、前記支持部は、前記第１基板及び前記第２基板の少なくとも何れかの一部を酸化したものであることを特徴とする。

第４発明に係る発電素子は、第１発明又は第２発明において、前記第２電極と離間し、前記第１電極と接する第１基板をさらに備え、前記第１基板は、半導体であり、前記第１電極と接する縮退部を有することを特徴とする。

第５発明に係る発電装置は、第１発明又は第２発明の発電素子と、前記第１電極と電気的に接続された第１配線と、前記第２電極と電気的に接続された第２配線と、を備えることを特徴とする。

第６発明に係る電子機器は、第１発明又は第２発明の発電素子と、前記発電素子を電源に用いて駆動する電子部品とを備えることを特徴とする。

第７発明に係る発電素子の製造方法は、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、それぞれ仕事関数の異なる第１電極及び第２電極を、離間した状態で固定するギャップ形成工程と、前記第１電極と、前記第２電極との間に、２種類以上の材料を含有するナノ粒子を含む中間部を形成する中間部形成工程と、を備え、前記ナノ粒子は、２０ｗｔ％以上１００ｗｔ％未満の金を含有し、表面に設けられたチオール基又はジスルフィド基を有する被膜を含み、白金、ロジウム、イリジウム、パラジウムの何れかをさらに含有すること特徴とする。
第８発明に係る発電素子の製造方法は、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、それぞれ仕事関数の異なる第１電極及び第２電極を、離間した状態で固定するギャップ形成工程と、前記第１電極と、前記第２電極との間に、２種類以上の材料を含有するナノ粒子を含む中間部を形成する中間部形成工程と、を備え、前記ナノ粒子は、２０ｗｔ％以上８０ｗｔ％以下の金、及び２０ｗｔ％以上８０ｗｔ％以下の白金の２種類の材料を含有し、表面に設けられたチオール基又はジスルフィド基を有する被膜を含むことを特徴とする。

第１発明～第６発明によれば、ナノ粒子は、２０ｗｔ％以上１００ｗｔ％未満の金を含有し、表面に設けられたチオール基又はジスルフィド基を有する被膜を含む。即ち、上記範囲の割合で金を含有したナノ粒子には、表面に被膜を形成させることができる。このため、各電極の間に設けられたナノ粒子の凝集を、抑制することができる。これにより、発電効率の向上を図ることが可能となる。

また、第１発明、第３発明～第６発明によれば、ナノ粒子は、白金、ロジウム、イリジウム、パラジウムの何れかをさらに含有する。即ち、金と同様の結晶構造を持つ材料を含有することで、結晶粒界の発生量を抑制することができる。このため、ナノ粒子における電気的抵抗を低減させることができる。これにより、発電効率のさらなる向上を図ることが可能となる。

また、第２発明～第６発明によれば、ナノ粒子は２０ｗｔ％以上８０ｗｔ％以下の金、及び２０ｗｔ％以上８０ｗｔ％以下の白金を含有する。このため、ナノ粒子を介した発電を促進させることができる。これにより、発電効率の更なる向上を図ることが可能となる。

特に、第３発明によれば、支持部は、第１基板及び第２基板の少なくとも何れかの一部を酸化したものである。このため、基板とは別の材料を用いて支持部を設けた場合に比べ、電極間のギャップのバラつきを抑制することができる。これにより、発電効率の安定化を図ることが可能となる。

特に、第４発明によれば、第１基板は、半導体であり、第１電極と接する縮退部を有する。このため、縮退部を有しない場合に比べて、第１電極と第１基板との間における接触抵抗を低減させることができる。これにより、素子全体の抵抗の増加を抑制することが可能となる。

特に、第５発明によれば、発電装置は、発電素子と、第１配線と、第２配線とを備える。このため、発電効率を向上させた発電装置を実現することが可能となる。

特に、第６発明によれば、電子機器は、発電素子と、電子部品とを備える。このため、発電効率を向上させた電子機器を実現することが可能となる。

第７発明及び第８発明によれば、ナノ粒子は、２０ｗｔ％以上１００ｗｔ％未満の金を含有し、表面に設けられたチオール基又はジスルフィド基を有する被膜を含む。即ち、上記範囲の割合で金を含有したナノ粒子には、表面に被膜を形成させることができる。このため、中間部形成工程を実施したあと、各電極の間におけるナノ粒子の凝集を、抑制することができる。これにより、発電効率の向上を図ることが可能となる。

Claims (8)

1. 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、
   第１電極と、
   前記第１電極と対向して設けられ、前記第１電極とは異なる仕事関数を有する第２電極と、
   前記第１電極と、前記第２電極との間に設けられ、２種類以上の材料を含有するナノ粒子を含む中間部と、
   を備え、
   前記ナノ粒子は、
   ２０ｗｔ％以上１００ｗｔ％未満の金を含有し、
   表面に設けられた硫黄原子を有する被膜を含むこと
   を特徴とする発電素子。
2. 前記ナノ粒子は、白金、ロジウム、イリジウム、パラジウムの何れかをさらに含有すること
   を特徴とする請求項１記載の発電素子。
3. 前記ナノ粒子は、
   ２０ｗｔ％以上８０ｗｔ％以下の金、及び
   ２０ｗｔ％以上８０ｗｔ％以下の白金
   の２種類の材料を含有すること
   を特徴とする請求項１記載の発電素子。
4. 前記第２電極と離間し、前記第１電極と接する第１基板と、
   前記第１電極と離間し、前記第２電極と接する第２基板と、
   前記第１基板と、前記第２基板との間に設けられ、前記中間部と接する支持部と、
   をさらに備え、
   前記支持部は、前記第１基板及び前記第２基板の少なくとも何れかの一部を酸化したものであること
   を特徴とする請求項１記載の発電素子。
5. 前記第２電極と離間し、前記第１電極と接する第１基板をさらに備え、
   前記第１基板は、半導体であり、前記第１電極と接する縮退部を有すること
   を特徴とする請求項１記載の発電素子。
6. 請求項１記載の発電素子と、
   前記第１電極と電気的に接続された第１配線と、
   前記第２電極と電気的に接続された第２配線と、
   を備えること
   を特徴とする発電装置。
7. 請求項１記載の発電素子と、
   前記発電素子を電源に用いて駆動する電子部品と
   を備えることを特徴とする電子機器。
8. 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、
   それぞれ仕事関数の異なる第１電極及び第２電極を、離間した状態で固定するギャップ形成工程と、
   前記第１電極と、前記第２電極との間に、２種類以上の材料を含有するナノ粒子を含む中間部を形成する中間部形成工程と、
   を備え、
   前記ナノ粒子は、
   ２０ｗｔ％以上１００ｗｔ％未満の金を含有し、
   表面に設けられた硫黄原子を有する被膜を含むこと
   を特徴とする発電素子の製造方法。

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