JP2022063483A - 発電素子及び発電方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発電効率の更なる向上が可能な発電素子及び発電方法を提供すること。【解決手段】実施形態の１つに係る発電素子は、電極間仕事関数差を利用した発電素子１であって、第１電極１１と、第１電極１１よりも仕事関数が小さい第２電極１２と、第１電極１１と第２電極１２との間を移動可能であり、第１電極１１又は第２電極１２から放出された電子ｅを受け取り、受け取った電子ｅを第１電極１１又は第２電極１２へ受け渡すナノ粒子１４と、を備える。電子ｅ受け取ったナノ粒子１４は、第１電極１１に電子ｅを受け渡す量に比べて、第２電極１２に電子ｅを受け渡す量が多い。【選択図】図５

Description

この発明の実施形態は、発電素子及び発電方法に関する。

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熱電素子等の発電素子の開発が盛んに行われている。特許文献１～３には、仕事関数差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が開示されている。このような熱電素子は、電極間の温度差（ゼーベック効果）を利用した熱電素子に比較して、電極間の温度差が小さい場合又は温度差が無い場合であっても発電可能である。このため、電極間仕事関数差を利用した発電素子は、電極間温度差を利用した発電素子と比較して、より様々な用途への利用が期待されている。

特許文献１～３は、仕事関数の異なる２枚の金属あるいは半導体電極、及び電極間を埋めるナノ粒子を含んだ溶媒から構成される。両方の電極からは、熱電子が放出される。電極間ギャップが近づき、電子のやりとりができるようになると、電子は、接触したナノ粒子同士間でのトンネリングあるいはホッピングによって、反対側の電極方向へ移動し、相手側の電極に移る。これにより、２枚の電極間に電流を流すことができる。

特許第６１４７９０１号公報 米国特許出願公開第２０１５／０２２９０１３号明細書 特開２０１９－１４９４９３号公報

しかしながら、接触したナノ粒子同士間でのトンネリングあるいはホッピングのみを利用した特許文献１～３では、発電効率を向上させ難い、という事情がある。

この発明の実施形態は、発電効率の更なる向上が可能な発電素子及び発電方法を提供する。

この発明の第１態様に係る発電素子は、電極間仕事関数差を利用した発電素子であって、第１電極と、前記第１電極よりも仕事関数が小さい第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間を移動可能であり、前記第１電極又は前記第２電極から放出された電子を受け取り、受け取った前記電子を前記第１電極又は前記第２電極へ受け渡すナノ粒子と、を備え、前記電子を受け取った前記ナノ粒子は、前記第１電極に前記電子を受け渡す量に比べて、前記第２電極に前記電子を受け渡す量が多いことを特徴とする。

この発明の第２態様に係る発電素子は、第１態様において、前記第１電極と前記第２電極との間に、溶媒で満たされたギャップを、さらに備え、前記ナノ粒子は、前記溶媒中に分散されていることを特徴とする。

この発明の第３態様に係る発電素子は、第２態様において、前記第１電極を低電位、前記第２電極を高電位とする電界によって、前記電子を受け取って電気的に負の状態となった前記ナノ粒子を、前記第２電極へ向けてドリフトさせることを特徴とする。

この発明の第４態様に係る発電素子は、第３態様において、前記電子を前記第２電極へ受け渡して電気的に中性の状態となり、ディフュージョンしている前記ナノ粒子に、前記第１電極から放出された電子を再度受け取らせ、前記ナノ粒子のドリフトとディフュージョンとの繰り返しによって発電を継続させることを特徴とする。

この発明の第５態様に係る発電素子は、第２態様～第４態様のいずれか１つにおいて、前記ギャップは、３μｍ以下の有限値であることを特徴とする。

この発明の第６態様に係る発電素子は、第１態様において、前記第１電極を正極、前記第２電極を負極とすることを特徴とする。

この発明の第７態様に係る発電方法は、電極間仕事関数差を利用した発電素子の発電方法であって、前記発電素子は、第１電極と、前記第１電極よりも仕事関数が小さい第２電極と、前記第１電極と前記第２電極との間を移動可能であり、前記第１電極又は前記第２電極から放出された電子を受け取り、受け取った前記電子を前記第１電極又は前記第２電極へ受け渡すナノ粒子と、を備え、前記電子を受け取った前記ナノ粒子は、前記第１電極に前記電子を受け渡す量に比べて、前記第２電極に前記電子を受け渡す量が多いことを特徴とする。

第１態様に係る発電素子によれば、電子を受け取ったナノ粒子は、第１電極に電子を受け渡す量に比べて、第２電極に電子を受け渡す量が多い。したがって、例えば接触したナノ粒子同士間でのトンネリングあるいはホッピングのみを利用した発電素子と比較して、発電効率の更なる向上が可能となる。

第２態様に係る発電素子によれば、第１電極と第２電極との間に、ギャップを、さらに備えている。そして、ナノ粒子は、溶媒中に分散されている。したがって、ナノ粒子を、第１電極と第２電極との間を移動させることが可能となる。

第３態様に係る発電素子によれば、第１電極を低電位とし、第２電極を高電位とする電界が生ずる。したがって、電子を受け取って電気的に負の状態となったナノ粒子を、第２電極へ向けてドリフトさせることが可能となる。

第４態様に係る発電素子によれば、電気的に中性の状態となり、ディフュージョンしている前記ナノ粒子に、前記第１電極から放出された前記電子を再度受け取らせ、ナノ粒子のドリフトとディフュージョンとを繰り返す。したがって、有限個数であるナノ粒子を用いた連続的な電子の移動が実現可能となり、発電を継続させることができる。

第５態様に係る発電素子によれば、ギャップは、３μｍ以下の有限値とする。これにより、電子を受け取ったナノ粒子が第１電極から第２電極へ向けて移動する現象を、顕著に生じさせることが可能となる。したがって、発電素子の発電効率を、さらに高めることができる。

第７態様に係る発電方法によれば、発電効率の更なる向上が可能となる発電方法を得ることができる。

図１は、一実施形態に係る発電素子を含む発電装置の一例を示す模式断面図である。 図２は、一実施形態に係る発電素子の一例を示す模式断面図である。 図３は、一実施形態に係る発電素子の一例を示す模式断面図である。 図４は、一実施形態に係る発電素子の一例を示す模式断面図である。 図５は、一実施形態に係る発電素子の一例を示す模式断面図である。 図６は、一実施形態に係る発電素子の一例を示す模式断面図である。 図７は、一実施形態に係る発電素子の一例を示す模式断面図である。 図８は、一実施形態に係る発電素子を含む発電装置の一例を示す模式断面図である。 図９は、一実施形態に係る発電素子の他例を示す模式断面図である。 図１０（ａ）～図１０（ｈ）は、一実施形態に係る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る。

以下、この発明の一実施形態を、図面を参照しながら説明する。各図において、共通する部分については共通する参照符号を付し、重複する説明は省略する。

（発電装置）
図１は、一実施形態に係る発電素子を含む発電装置の一例を示す模式断面図である。図２～図７は、一実施形態に係る発電素子の一例を示す模式断面図である。図８は、一実施形態に係る発電素子を含む発電装置の一例を示す模式断面図である。

図１に示すように、発電装置１００は、発電素子１と、第１外部端子１０１と、第２外部端子１０２と、を含む。発電素子１は、負荷Ｒの両端間に電気的に接続される。発電素子１は、電極間仕事関数差を利用するものである。発電素子１を含む発電装置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が発生させた電気エネルギーを、第１外部端子１０１及び第２外部端子１０２を介して負荷Ｒへ出力する。負荷Ｒの一端は、第１外部配線１１１を介して第１外部端子１０１と電気的に接続される。負荷Ｒの他端は、第２外部配線１１２を介して第２外部端子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している。負荷Ｒは、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、環境温度等を利用することができる。例えば、電子デバイス、電子部品、発光素子、エンジン、生産設備等は人工熱源である。人体、太陽光、環境温度等は自然熱源である。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）
図１～図８に示すように、発電素子１は、第１電極１１と、第２電極１２と、ギャップＧと、溶媒１３と、ナノ粒子１４と、を含む。発電素子１は、例えば絶縁性のパッケージ１５によって被覆されている。発電素子１は、例えば第１電極１１を正極、第２電極１２を負極とする。なお、以下において「ナノ流体」とは、ナノ粒子１４が分散された溶媒１３を示す。

第１電極１１は、第１仕事関数を有する。第２電極１２は、第１仕事関数よりも小さい第２仕事関数を有する。第１仕事関数の値は、第２仕事関数の値よりも大きい。発電素子１は、第１電極１１は仕事関数が大きく（ＷＦ大）、第２電極１２は仕事関数が小さい（ＷＦ小）という関係を有する。第１電極１１及び第２電極１２の材料は、例えば、以下に示す金属から選ぶことができる。
白金（Ｐｔ）
タングステン（Ｗ）
アルミニウム（Ａｌ）
チタン（Ｔｉ）
ニオブ（Ｎｂ）
モリブデン（Ｍｏ）
タンタル（Ｔａ）
レニウム（Ｒｅ）

発電素子１では、第１電極１１と第２電極１２との間に仕事関数差が生じればよい。したがって、第１電極１１及び第２電極１２の材料には、上記以外の金属を選ぶことが可能である。また、第１電極１１及び第２電極１２の材料には、上記金属の他、合金、金属間化合物、及び金属化合物を選ぶことも可能である。金属化合物は、金属元素と非金属元素とが化合したものである。金属化合物の例としては、例えば六ホウ化ランタン（ＬａＢ_６）を挙げることができる。

第１電極１１及び第２電極１２の材料として、非金属導電物を選ぶことも可能である。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。

ギャップＧは、第１電極１１と第２電極１２との間に設けられている。溶媒１３は、ギャップＧの内部を満たす。溶媒１３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１３の気化を抑制することができる。これにより、溶媒１３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、アルカンチオール等を挙げることができる。なお、溶媒１３は、電気的抵抗値が高く、絶縁性である液体がよい。

ナノ粒子１４は、第１電極１１と第２電極１２との間を移動可能なように、溶媒１３中に分散されている。ナノ粒子１４は、第１電極１１及び第２電極１２から放出された電子ｅを受け取り、受け取った電子ｅを第２電極１２へ受け渡す。ナノ粒子１４の粒子径は、ギャップＧの内部において、第１電極１１と第２電極１２との間を移動可能な範囲とされる。また、ナノ粒子の配合量についても、ギャップＧの内部において、第１電極１１と第２電極１２との間を移動可能な範囲とされる。

ナノ粒子１４は、例えば導電物を含む。ナノ粒子１４の仕事関数の値は、例えば、第１電極１１の第１仕事関数の値と、第２電極１２の第２仕事関数の値との間にある。例えば、ナノ粒子１４の仕事関数の値は、３．０ｅＶ以上５．５ｅＶ以下の範囲とされる。

なお、発電素子１によれば、ナノ粒子１４の仕事関数の値は、第１仕事関数の値及び第２仕事関数の値より低くても、反対にナノ粒子１４の仕事関数の値が第１仕事関数の値及び第２仕事関数の値より高くても発電することが可能である。

ナノ粒子１４の材料の例としては、金及び銀の少なくとも１つを選ぶことができる。なお、ナノ粒子１４の仕事関数の値は、第１仕事関数の値と、第２仕事関数の値との間にあればよい。したがって、ナノ粒子１４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。また、ナノ粒子１４の表面には、例えば絶縁物がコーティングされていても良い。コーティング材料の例としては、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。絶縁性金属化合物の例としては、例えば、シリコン酸化物及びアルミナ等を挙げることができる。絶縁性有機化合物の例としては、アルカンチオール（例えばドデカンチオール）等を挙げることができる。

（発電方法）
図２に示すように、ナノ粒子１４は、溶媒１３の中で、例えばブラウン運動により、自由に動いている。なお、ナノ粒子１４の動きは、発電素子１の周囲の温度が高いほど大きくなる。

図３に示すように、自由に動いているナノ粒子１４の一部は、第１電極１１の表面及び第２電極１２の表面と接触する。このようなナノ粒子１４の第１電極１１に向かって移動する挙動を、本明細書では、“ディフュージョン”と呼ぶ。

すると、図４に示すように、第１電極１１から放出された電子ｅ（熱電子）が、例えばトンネリングにより、第１電極１１と接触したナノ粒子１４中に移動する。同様に、第２電極１２から放出された電子ｅ（熱電子）も、例えばトンネリングにより、第２電極１２と接触したナノ粒子１４中に移動する。このようにして、ナノ粒子１４は、第１電極１１及び第２電極１２から放出された電子ｅを受け取る。電子ｅを受け取ったナノ粒子１４は、電気的に負の状態となる（ナノ粒子１４が負に帯電する）。

ここで、ナノ粒子１４を含むナノ流体が各電極１１、１２の間に挿入されると、初期的には仕事関数の小さい第２電極１２から仕事関数の大きい第１電極１１へ、電子ｅがナノ粒子１４を媒体として、又はホッピングやトンネリング等で移動する。これにより、第１電極１１を低電位、第２電極１２を高電位とする電界が発生する。ナノ流体の伝導率は、第１電極１１と第２電極１２のフェルミレベルが合致しない程度に高いため、この電界はその後も保持される。

図５に示すように、電子ｅを受け取って電気的に負の状態となったナノ粒子１４は、上記電界によって、第２電極１２へ向けてドリフトする。ドリフトしたナノ粒子１４は、第２電極１２と接触する。

ここで、仕事関数の大きな第１電極１１と仕事関数の小さな第２電極１２とが、ナノ流体に浸漬され、それぞれ電極表面近傍に存在するナノ粒子１４の密度及び仕事関数が同じ場合には、仕事関数の小さな第２電極２からナノ粒子１４に注入される電子ｅの数のほうが、仕事関数の大きな第１電極１１から注入される電子ｅの数よりも大きくなる。時間ｔ＝０では、第２電極１２のほうが第１電極１１よりも、その近傍に電子ｅによってチャージされたナノ粒子１４が多く存在する。これによって第２電極１２のフェルミレベルが第１電極１１のそれに近づく（仕事関数が大きくなるのと同じ意味である）。これに伴い電界が発生する。電界の方向は第２電極１２から第１電極１１へ向く方向であり、この電界によって発生するローレンツ力により、電子ｅは第１電極１１から第２電極１２へ移動する。この時に移動する電子ｅは第１電極１１から注入されたものだけではなく、第２電極１２から注入されたものも含まれる（第２電極１２からナノ粒子１４に飛び移ったのに、また第２電極１２に帰ってくる）。したがって、単位時間に第１電極１１から２個、第２電極１２から６個の電子ｅをナノ流体に注入しても、総合的には電子ｅが第１電極１１から第２電極１２に流れる状況となる。

図６に示すように、第２電極１２と接触しているナノ粒子１４中の電子ｅは、例えばトンネリングにより、第２電極１２と接触したナノ粒子１４中に移動する。このようにして、ナノ粒子１４は、受け取った電子ｅを第２電極１２へ受け渡す。電子ｅを第２電極１２へ受け渡して電気的に中性の状態となったナノ粒子１４は、電気的に中性の状態となる。

図７に示すように、電気的に中性の状態となったナノ粒子１４は、第２電極１２から離れ、再び溶媒１３の中を自由に動き出す。そして、ナノ粒子１４が、図３～図７に示したような挙動が繰り返されるようになり、発電素子１内において、有限個数であるナノ粒子１４を用いた連続的な電子ｅの移動が実現可能となり、発電を継続させることができる。

このように、発電素子１は、電子ｅを受け取ったナノ粒子１４を、仕事関数が大きい第１電極１１から仕事関数が小さい第２電極１２へ向けて、さらに移動させることで発電する。これにより、図８に示すように、負荷Ｒに電流を流すことができ、発電装置１００として利用することができる。

なお、例えば電子ｅは、ナノ粒子１４等を介したトンネリング又はホッピングによって、仕事関数が小さい第２電極１２から、仕事関数の大きい第１電極１１に移動する場合がある。この場合においても、発電素子１の発電には、上述したナノ粒子１４の挙動の寄与が大きい。すなわち、電子ｅを受け取ったナノ粒子１４は、第１電極１１に電子ｅを受け渡す量に比べて、第２電極１２に電子ｅを受け渡す量が多い。したがって、例えば接触したナノ粒子同士間でのトンネリングあるいはホッピングのみを利用した発電素子と比較して、発電効率の更なる向上が可能となる。

しかも、発電素子１は、ナノ粒子１４を、第１電極１１と第２電極１２との間を移動可能とし、発電素子１の発電に、ナノ粒子１４の“ドリフト”及び“ディフュージョン”をさらに利用する。したがって、発電素子１によれば、例えば接触したナノ粒子同士間での“トンネリング”あるいは“ホッピング”のみを利用した発電素子と比較して、発電効率の更なる向上が可能となる。

また、図２～図７に示したようなナノ粒子１４の挙動は、ギャップＧの幅が狭くなるほど、より顕著に得ることができる。本願発明者らによる試験では、ギャップＧの幅は、３μｍ以下の有限値とすると、電子ｅを受け取ったナノ粒子１４が第１電極１１から第２電極１２へ向けて移動する現象が、顕著に現れ始めることが確認された。したがって、ギャップＧの幅は、３μｍ以下の有限値とすることで、発電素子１の発電効率を、さらに高めることができる。

このように、電子ｅを受け取ったナノ粒子１４を、仕事関数が大きい第１電極１１から仕事関数が小さい第２電極１２へ向けて移動させる発電素子１は、ギャップＧの幅は、３μｍ以下の有限値とし、さらにギャップＧの幅を狭くしていくに連れて、発電効率が高まる傾向を持つ。このため、発電素子１は、発電素子１及び発電装置１００の微細化及び小型化にも有効である。

図９は、一実施形態に係る発電素子の他例を示す模式断面図である。

図９に示すように、他例に係る発電素子１では、発電に、ナノ粒子１４の“ドリフト”及び“ディフュージョン”を利用するばかりでなく、ナノ粒子１４間での“電子ｅのホッピング”及びナノ粒子１４間での”電子ｅのトンネリング”の少なくともいずれかを、さらに利用する。

このように、発電素子１の発電に、ナノ粒子１４の“ドリフト”及び“ディフュージョン”に加え、ナノ粒子１４間での“電子ｅのホッピング”及びナノ粒子１４間での”電子ｅのトンネリング”の少なくともいずれかを、さらに利用すれば、発電素子１の発電効率は、さらに向上するようになる。

このように、一実施形態によれば、発電効率の更なる向上が可能な発電素子及び発電方法を提供できる。

（電子機器）
上述した一実施形態において説明した発電素子１を含む発電装置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１０（ａ）～図１０（ｈ）は、一実施形態に係る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る。

図１０（ａ）に示すように、電子機器（エレクトリックプロダクト）５００は、電子部品（エレクトロニックコンポーネント）５０１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、電子部品５０１のＧＮＤ端子（ＧＮＤ）と又はＧＮＤ端子（ＧＮＤ）とマイナス端子（－）とを接続する配線との間に電気的に接続される。

電子機器５００において、発電装置１００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１０（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は、電子部品５０１のＧＮＤ端子（ＧＮＤ）と、電子部品５０１のＶｃｃ端子（Ｖｃｃ）との間に電気的に接続される。図１０（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１０（ｂ）に示す電子機器５００は、電池の交換が不要である。

図１０（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は、例えば、回路基板（図示は省略する）のＧＮＤ配線とＶｃｃ配線との間に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１０（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１０（ｅ）～図１０（ｈ）のそれぞれに示すように、電子機器５００は、発電素子１を含む発電装置１００を備えていてもよい。

また、図１０（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１０（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１０（ａ）～図１０（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。

ここで、「ナノ粒子」とは、複数の粒子を含んだものを示し、例えば２種類以上の粒子を含んでもよい。ナノ粒子１４は、例えば２ｎｍ以上１００ｎｍ以下の粒子径を有する粒子を含む。ナノ粒子１４は、例えば、平均粒径（例えばＤ５０）が３ｎｍ以上１００ｎｍ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。

また、「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。

以上、この発明の一実施形態を説明したが、一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。また、この発明の実施形態は、上記一実施形態が唯一のものでもない。この発明は、上記一実施形態の他、様々な新規な形態で実施することができる。したがって、上記一実施形態のそれぞれは、この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。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。

１ ：発電素子
１１ ：第１電極
１２ ：第２電極
１３ ：溶媒
１４ ：ナノ粒子
１５ ：パッケージ
１００：発電装置
１０１：第１外部端子
１０２：第２外部端子
５００：電子機器
５０１：電子部品
５０２：主電源
５０３：補助電源
Ｒ ：負荷
Ｇ ：ギャップ
ｅ ：電子

Claims (7)

1. 電極間仕事関数差を利用した発電素子であって、
   第１電極と、
   前記第１電極よりも仕事関数が小さい第２電極と、
   前記第１電極と前記第２電極との間を移動可能であり、前記第１電極又は前記第２電極から放出された電子を受け取り、受け取った前記電子を前記第１電極又は前記第２電極へ受け渡すナノ粒子と、
   を備え、
   前記電子を受け取った前記ナノ粒子は、前記第１電極に前記電子を受け渡す量に比べて、前記第２電極に前記電子を受け渡す量が多いこと
   を特徴とする発電素子。
2. 前記第１電極と前記第２電極との間に、溶媒で満たされたギャップを、さらに備え、
   前記ナノ粒子は、前記溶媒中に分散されていること
   を特徴とする請求項１記載の発電素子。
3. 前記第１電極を低電位、前記第２電極を高電位とする電界によって、前記電子を受け取って電気的に負の状態となった前記ナノ粒子を、前記第２電極へ向けてドリフトさせること
   を特徴とする請求項２記載の発電素子。
4. 前記電子を前記第２電極へ受け渡して電気的に中性の状態となり、ディフュージョンしている前記ナノ粒子に、前記第１電極から放出された前記電子を再度受け取らせ、
   前記ナノ粒子のドリフトとディフュージョンとの繰り返しによって発電を継続させること
   を特徴とする請求項３記載の発電素子。
5. 前記ギャップは、３μｍ以下の有限値であること
   を特徴とする請求項２～４のいずれか１つに記載の発電素子。
6. 前記第１電極を正極、前記第２電極を負極とすること
   を特徴とする請求項１記載の発電素子。
7. 電極間仕事関数差を利用した発電素子の発電方法であって、
   前記発電素子は、
   第１電極と、
   前記第１電極よりも仕事関数が小さい第２電極と、
   前記第１電極と前記第２電極との間を移動可能であり、前記第１電極又は前記第２電極から放出された電子を受け取り、受け取った前記電子を前記第１電極又は前記第２電極へ受け渡すナノ粒子と、
   を備え、
   前記電子を受け取った前記ナノ粒子は、前記第１電極に前記電子を受け渡す量に比べて、前記第２電極に前記電子を受け渡す量が多いこと
   を特徴とする発電方法。

Images