JP2022529133A - ハイブリッドエネルギー装置、システム、及びそのための方法 - Google Patents

ハイブリッドエネルギー装置、システム、及びそのための方法 Download PDF

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Abstract

多層装置が、透明又は半透明の基板と、基板に結合された太陽電池層と、太陽電池層に結合されたエネルギー貯蔵層と、エネルギー貯蔵層に結合された変換器層とを有する。太陽電池層は、基板を通して光を受け取って、受け取った光のエネルギーを第１の電気エネルギーに変換するための複数の太陽電池を有し、エネルギー貯蔵層は、第２の電気エネルギーを貯蔵するための１つ又は複数のエネルギー貯蔵ユニットを有し、変換器層は、太陽電池層及びエネルギー貯蔵層から第１の電気エネルギー及び第２の電気エネルギーを受け取り、電力変換器の出力を介して第３の電気エネルギーを出力するための、太陽電池層及びエネルギー貯蔵層に電気的に接続された１つ又は複数の電力変換器を有する。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１９年４月１０日に申請された、米国仮特許出願第６２／８３１，８２８号の優先権の利益を主張するものであり、その内容は全体として参照により本明細書に援用される。
開示の分野
本開示は、エネルギー装置、システム、及びそのための方法に関し、より詳細には、さまざまな用途に電気エネルギーを提供するための太陽電池及びバッテリなどのハイブリッドエネルギー源を統合する装置及びシステムに関する。
背景
太陽エネルギーは、さまざまな用途向けのクリーンで実用的なエネルギー源である。例えば、太陽電池パネルは、太陽エネルギーを収集し、収集した太陽エネルギーをさまざまな電気装置を動かすための電力に変換するために、屋上などの日当たりの良い場所に配備することができる。さまざまな形態、スタイル、及び大きさの太陽電池パネルが、太陽電池タイル、電話充電器、住宅設備、産業機器などのさまざまなデバイスのエネルギー源構成要素として広く使用されてきた。
例えば、図１～図３は、参照符号１０を使用して集合的に表記されたいくつかの従来技術の太陽エネルギーハーベスティングシステムを示す。図１に示された太陽エネルギーハーベスティングシステム１０で、太陽電池パネル１２、又はより具体的には太陽光発電（ＰＶ）パネルが、太陽エネルギーを電気に変換し、それを電子電力変換器１４に出力するために使用される。電子電力変換器１４は、受け取った電気を、負荷１６に電力を供給するために使用可能な形態に変換する。
電子電力変換器１４は、スイッチ１８を介して交流（ＡＣ）ユーティリティグリッド２０に同様に接続される。それゆえ、スイッチ１８が閉じているとき、電子電力変換器１４は、それに電気的に接続されたさまざまなデバイス（図示せず）に電力を供給するために、又は電子電力変換器１４の出力が不十分なときＡＣユーティリティグリッド２０を使用して負荷１６に電力を供給するために、ＡＣユーティリティグリッド２０に電力を出力することができる。
システム１０に信頼性を提供するためにエネルギー貯蔵を使用することができる。図２に示されるように、この実施例の従来技術のシステム１０は、別の電子電力変換器２４を介して負荷１６及びＡＣユーティリティグリッド２０に接続するバッテリアセンブリなどのエネルギー貯蔵２２をさらに備える。バッテリアセンブリ２２を使用して、システム１０は、ＰＶパネル１２からの太陽エネルギー出力の断続的な性質を補償し、システムの信頼性を改善することができる。
図３は、図２に示されたものに類似しているが、負荷１６、及びＡＣユーティリティグリッド２０の代わりに直流（ＤＣ）ユーティリティグリッド２６に接続された、従来技術の太陽エネルギーハーベスティングシステム１０を示す。
従来技術の太陽エネルギーハーベスティングシステムは、以下のような欠点及び／又は課題を有する。
・日光の断続性に起因する太陽エネルギー発生の不信頼性。
・太陽放射照度は日中に変化するので、太陽エネルギーハーベスティングシステムの動作点（例えば、電圧、及び／又は電流など）に広範囲の変動があり、それによりシステムの全体効率が著しく低下する。
・システムは、通常、システムに弾力性を提供するためにユーティリティ電力グリッドを必要とし、すなわち、太陽エネルギーが不十分であるか、又は利用できないときに、さまざまな負荷に電力を供給するためにユーティリティ電力グリッドを必要とする。
これらの欠点及び／又は課題に起因して、従来技術の太陽エネルギーハーベスティングシステムは、太陽電池タイル、ソーラ充電器などの、多くの新たに出現した用途に最適な解決策を提供することができない。したがって、最適以下であるか、又はさらに最適化されない性能を持つ従来技術の太陽エネルギーハーベスティングシステムは、太陽エネルギーシステムのそうでなければ速い発展に悪影響を与えることになる。それゆえ、信頼性の高い太陽エネルギーハーベスティングソリューションに対する要望がある。
概要
本開示の実施形態は、太陽電池、バッテリセル、及びいくつかの実施形態で電子回路を、効率的且つ信頼性の高い方式で統合し、高効率で信頼性の高いエネルギー装置又はモジュールをもたらす、ハイブリッドエネルギー装置又はモジュールに関する。
本開示の１つの態様によれば、透明又は半透明の基板と、基板に結合された太陽電池層であって、基板を通して光を受け取って、受け取った光のエネルギーを第１の電気エネルギーに変換するための複数の太陽電池を備える、太陽電池層と、太陽電池層に結合されたエネルギー貯蔵層であって、第２の電気エネルギーを貯蔵するための１つ又は複数のエネルギー貯蔵ユニットを備える、エネルギー貯蔵層と、エネルギー貯蔵層に結合された変換器層であって、太陽電池層及びエネルギー貯蔵層から第１の電気エネルギー及び第２の電気エネルギーを受け取り、電力変換器の出力を通して第３の電気エネルギーを出力するための、太陽電池層及びエネルギー貯蔵層に電気的に接続された１つ又は複数の電力変換器を備える、変換器層とを備える多層エネルギー装置が提供される。
いくつかの実施形態で、基板は、ガラスの層を含む。
いくつかの実施形態で、基板は、可撓性の透明又は半透明の材料を含む。
いくつかの実施形態で、基板は、透明又は半透明のプラスチック材料を含む。
いくつかの実施形態で、基板は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）及びポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）のうちの少なくとも１つを含む。
いくつかの実施形態で、太陽電池層は、基板に印刷又は堆積される。
いくつかの実施形態で、エネルギー貯蔵層は、太陽電池層に印刷又は堆積される。
いくつかの実施形態で、太陽電池層は、基板に結合されたアノード副層と、アノード副層に結合された酸化亜鉛（ＺｎＯ）の副層と、ＺｎＯの副層に結合されたポリエチレンイミン及びエトキシル化ポリエチレンイミン（ＰＥＩＥ）の副層と、ＰＥＩＥの副層に結合された有機太陽電池の副層と、太陽電池の副層に結合された三酸化モリブデン（ＭｏＯ３）の副層と、ＭｏＯ３の副層に結合されたカソード副層とを備える。
いくつかの実施形態で、アノード副層は、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）を含む。
いくつかの実施形態で、カソード副層は、銀（Ａｇ）又はアルミニウム（Ａｌ）を含む。
いくつかの実施形態で、太陽電池の副層は、ポリマー太陽電池を含む。
いくつかの実施形態で、太陽電池の副層は、バルクヘテロ接合（ＢＨＪ）の副層を含む。
いくつかの実施形態で、エネルギー貯蔵層は、１つ又は複数のバッテリセル及び１つ又は複数の半導体コンデンサのうちの少なくとも１つを備える。
いくつかの実施形態で、１つ又は複数のバッテリセルの各バッテリセルは、第１の集電体副層と、第１の集電体副層に結合されたアノード副層と、アノード副層に結合された固体電解質副層と、固体電解質副層に結合されたカソード副層と、カソード副層に結合された第２の集電体副層とを備える。
いくつかの実施形態で、第１の集電体副層及び第２の集電体副層のうちの少なくとも１つが、アルミニウムを含む。
いくつかの実施形態で、固体電解質副層は、Ａｌ２Ｏ３及び第１の半相互貫入ポリマーネットワーク（半ＩＰＮ）骨格材料とともにＬｉＢＦ４を含む。
いくつかの実施形態で、固体電解質副層は、８５／１５重量比（ｗ／ｗ）の比率で、セバコニトリル（ＳＢＮ）中の１モル濃度（１リットルあたり１モル）のＬｉＢＦ４及び第１の半ＩＰＮ骨格材料で作られ、６０／４０ｗ／ｗの比率で約３００モル濃度のＡｌ２Ｏ３と混合される。
いくつかの実施形態で、アノード副層は、第１の炭素材料及び第２の半ＩＰＮ骨格材料とともに活性化Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２（ＬＴＯ）を含む。
いくつかの実施形態で、カソード副層は、第２の炭素材料及び第３の半ＩＰＮ骨格材料とともに活性化ＬｉＣｏＯ２（ＬＣＯ）を含む。
いくつかの実施形態で、第１の炭素及び／又は第２の炭素は、単層カーボンナノチューブ（ＳＷＣＮＴ）及び炭素粉末のうちの少なくとも１つを含む。
いくつかの実施形態で、活性化ＬＴＯは、ＳＷＣＮＴコーティングされたＬＴＯである。
いくつかの実施形態で、活性化ＬＣＯは、ＳＷＣＮＴコーティングされたＬＣＯである。
いくつかの実施形態で、半ＩＰＮ骨格材料は、紫外線（ＵＶ）硬化型ポリマーを含む。
いくつかの実施形態で、ＵＶ硬化型ポリマーは、１．０重量パーセント（ｗｔ％）の２－ヒドロキシ－２－メチルプロピオフェノン（ＨＭＰＰ）を組み込んだエトキシル化トリメチロールプロパントリアクリレート（ＥＴＰＴＡ）と、ポリ（フッ化ビニリデン－コ－ヘキサフルオロプロピレン）（ＰＶｄＦ－ＨＦＰ）とを含み、ＨＦＰは６モルパーセント（ｍｏｌ％）であり、ＥＴＰＴＡ／ＰＶｄＦ－ＨＦＰは７５／２５重量比（ｗ／ｗ）の比率である。
いくつかの実施形態で、１つ又は複数の半導体コンデンサの各コンデンサは、（ｎ＋１）個のヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）の副層と交互に配置されたｎ個のヒ化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＡｓ）の副層を備え、ｎ＞０は整数であり、各ＡｌＧａＡｓ副層は２つの隣接するＧａＡｓ副層の間に挟まれている。
いくつかの実施形態で、変換器層は、太陽電池入力変換器、バッテリ入力変換器、及び出力変換器を有する多入力電子電力変換器を備える。
いくつかの実施形態で、太陽電池入力変換器、バッテリ入力変換器、及び出力変換器のうちの少なくとも１つが、強磁性又はフェリ磁性の磁心の周りに巻きつくコイルを備える。
いくつかの実施形態で、太陽電池入力変換器、バッテリ入力変換器、及び出力変換器のうちの少なくとも１つが、フェライト材料で作られ、２つの配線層の間に挟まれた磁心層を備え、各配線層は、ベース上に導電性配線を備え、２つの配線層の配線は、配線層上の１つ又は複数のビアを通して相互接続されて、フェライト磁心の周りに巻きつくコイルを形成する。
図面の簡単な説明
ここで、本開示の実施形態について、異なる図の同一の参照符号が同一の要素を指示する、以下の図を参照して説明する。
負荷及び／又は交流（ＡＣ）ユーティリティグリッドに接続する従来技術の、太陽エネルギーを収穫するための太陽電池パネルを有する太陽エネルギーハーベスティングシステムを示す概略図である。 負荷に接続し、及び／又はＡＣユーティリティグリッドに接続する従来技術の、太陽電池パネル及びエネルギー貯蔵を有する太陽エネルギーハーベスティングシステムを示す概略図である。 負荷及び／又は直流（ＤＣ）ユーティリティグリッドに接続する従来技術の、太陽電池パネル及びエネルギー貯蔵を有する太陽エネルギーハーベスティングシステムを示す概略図である。 本開示のいくつかの実施形態による、ハイブリッドエネルギーデバイスを有し、負荷及び／又はＡＣユーティリティグリッドに接続する太陽エネルギーハーベスティングシステムを示す。 本開示のいくつかの実施形態による、ハイブリッドエネルギーデバイスを有し、負荷及び／又はＤＣユーティリティグリッドに接続する太陽エネルギーハーベスティングシステムを示す。 本開示のいくつかの実施形態による、図４及び図５に示される太陽エネルギーハーベスティングシステムの、エネルギー貯蔵としてバッテリセルの層を備えるハイブリッドエネルギーデバイスの物理構造を示す概略図である。 本開示のいくつかの実施形態による、図４及び図５に示される太陽エネルギーハーベスティングシステムの、エネルギー貯蔵として超コンデンサの層を備えるハイブリッドエネルギーデバイスの物理構造を示す概略図である。 本開示のいくつかの実施形態による、図６Ａ及び図６Ｂに示されるハイブリッドエネルギーデバイスの太陽電池層及びガラスで作られている基板を示す概略図である。 本開示のいくつかの実施形態による、図６Ａ及び図６Ｂに示されるハイブリッドエネルギーデバイスの太陽電池層及び透明又は半透明のプラスチックで作られている基板を示す概略図である。 複数の太陽電池を形成するために基板上に大規模に印刷された、図７Ｂに示される太陽電池層の複数の副層を示す概略図である。 図６Ａ及び図６Ｂに示されるハイブリッドエネルギーデバイスの太陽電池層及びエネルギー貯蔵層を基板上に印刷することを示す概念図である。 図６Ｂに示される超コンデンサの構造を示す。 図６Ａに示されるハイブリッドエネルギーデバイスのエネルギー貯蔵層のバッテリセルの構造を示す概略図である。 Ｌｉイオンバッテリセルの形態で図１１Ａに示されるバッテリセルの構造を示す概略図である。 直列に互いに重なり合って印刷され、それらの間に共通の集電体副層を共有する２つのバッテリセルを示す概略図である。 ステンシルプリンタデバイスとしてコールドマニュアルラミネータを使用することによってバッテリセルを作るためのステンシル印刷技術を示す。 何も処理溶剤なしで図１３に示されるステンシル印刷技術を使用する、アルミニウム集電体副層の上へのアノード副層の製造プロセスを示す。 図６Ａ及び図６Ｂに示されるハイブリッドエネルギーデバイスの詳細を示す概略図である。 ＡＣ用途向けの統合電子電力変換器を有する太陽エネルギーハーベスティングシステムのブロック図である。 ＤＣ用途向けの統合電子電力変換器を有する太陽エネルギーハーベスティングシステムのブロック図である。 図１６Ａ及び図１６Ｂに示される、太陽電池入力変換器、バッテリ入力変換器、及び出力変換器を備える統合電子電力変換器の機能的構造を示す概略図である。 図１７Ａに示される太陽電池入力変換器、バッテリ入力変換器、及び出力変換器の機能的構造を示す概略図である。 図１６Ａ及び図１６Ｂに示される統合電子電力変換器の回路図である。 本開示のいくつかの実施形態による、図１６Ａ及び図１６Ｂに示される統合電子電力変換器の物理的実装を示す概略図である。 切断線Ａ－Ａに沿った、図１８Ａに示される統合電子電力変換器の横断面図である。 本開示のいくつかの実施形態による、図１８Ａに示される統合電子電力変換器の一部の概略斜視図である。
詳細な説明
ここで図４に目を向けると、本開示のいくつかの実施形態による太陽エネルギーハーベスティングシステムが示され、参照符号１００を使用して全体として識別される。示されるように、太陽エネルギーハーベスティングシステム１００は、負荷１０４に電力を供給するためのハイブリッドエネルギーデバイス１０２を備える。
ハイブリッドエネルギーデバイス１０２は、スイッチ１０８を介して交流（ＡＣ）ユーティリティグリッド１０６に同様に接続される。それゆえ、スイッチ１０８が閉じているとき、ハイブリッドエネルギーデバイス１０２は、それに電気的に接続されたさまざまなデバイス（図示せず）に電力を供給するために、又はハイブリッドエネルギーデバイス１０２の出力が不十分なときＡＣユーティリティグリッド１０６を使用して負荷１０４に電力を供給するために、ＡＣユーティリティグリッド１０６に電力を出力することができる。
これらの実施形態におけるハイブリッドエネルギーデバイス１０２は、太陽エネルギーを収穫するための複数の太陽電池を有し、第１のエネルギー源として機能する、太陽光発電（ＰＶ）パネルなどの一組の太陽電池１１２を備え、第２のエネルギー源としてエネルギー貯蔵１１４を備える。太陽電池１１２及びエネルギー貯蔵１１４は、多入力電子電力変換器１１６に電力を出力する。多入力電子電力変換器１１６は、受け取った電力を、負荷１０４に電力を供給し、及び／又はＡＣユーティリティグリッド１０６に出力するための（例えば、適切な電圧、電流、周波数、及び／又は位相などを有する）適切な形態に変換し、太陽電池１１２の出力を使用してエネルギー貯蔵１１４を充電する。そのうえ、多入力電子電力変換器１１６は、異なる構成要素間の電力流を制御する。
図５は、本開示のいくつかの実施形態による太陽エネルギーハーベスティングシステム１００を示す。これらの実施形態における太陽エネルギーハーベスティングシステム１００は、ハイブリッドエネルギーデバイス１０２が直流（ＤＣ）ユーティリティグリッド１１８に接続されていることを除いて図４に示されるものに類似している。多入力電子電力変換器１１６は、異なる構成要素間の電力流を同様に制御する。
太陽電池１１２、エネルギー貯蔵１１４、及び多入力電子電力変換器１１６を含む、図４及び図５に示されるハイブリッドエネルギーデバイス１０２は、基板に印刷、堆積、又は別な方法で結合された集積デバイスであり、異なる実施形態で異なる実装を有し得る。図６Ａ及び図６Ｂは、異なる実施形態でさまざまなエネルギー貯蔵１１４を備えたハイブリッドエネルギーデバイス１０２の物理構造を示す概略図である。
図６Ａに示される実施形態で、ハイブリッドエネルギーデバイス１０２は、ガラス、透明又は半透明のプラスチック、及び／又は透明又は半透明のポリマーなどの１つ又は複数の適切な透明又は半透明の材料で作られた基板１３２を備える。太陽電池１１２の層（「太陽電池層」とも表記される）が、基板１３２に印刷、堆積、又は別な方法で結合される。したがって、透明基板１３２は、太陽電池層１１２が周囲の光又は入射光に曝されることを可能にし、太陽電池層１１２及びそれに結合される他の層に支持及び保護を提供する。
これらの実施形態で、エネルギー貯蔵１１４（「エネルギー貯蔵層」とも表記される）は、太陽電池層１１２に印刷、堆積、又は別な方法で結合されたバッテリセル１３６の層を備える。エネルギー貯蔵層１１４に結合された多入力電子電力変換器１１６の回路構成の層（「回路層」と表記される）。太陽電池層１１２、エネルギー貯蔵層１１４、及び回路層１１６は、図４又は図５に従って電気的に接続されている（図示せず）。
図６Ｂに示される実施形態におけるハイブリッドエネルギーデバイス１０２は、これらの実施形態で、エネルギー貯蔵層１１４が１つ又は複数のコンデンサ１３８又は超コンデンサ（すなわち、静電容量の大きいコンデンサ）を備えることを除いて、図６Ａに示されるものに類似している。
図７Ａは、ガラスなどの適切な硬い透明又は半透明の材料で作られた基板１３２上の太陽電池層１１２を示す概略図である。示されるように、太陽電池層１１２は、基板１３２から名前を挙げて、基板１３２に印刷、堆積、又は別な方法で結合された酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）などの適切な材料で作られたアノード副層１４２、酸化亜鉛（ＺｎＯ）１４４の副層、ポリ（エチレンイミン）及びエトキシル化ポリ（エチレンイミン）（すなわち、ＰＥＩＥ）１４６の副層、バルクヘテロ接合（ＢＨＪ）の副層などのポリマー太陽電池の副層などの有機太陽電池１４８の副層、三酸化モリブデン（ＭｏＯ３）１５０の副層、並びに銀（Ａｇ）又はアルミニウム（Ａｌ）などの適切な材料で作られたカソード副層１５２などの複数の副層を備える。アノード１４２及びカソード１５２は、エネルギー貯蔵層１１４（すなわち、バッテリセル１３６又はコンデンサ１３８の層）及び／又は統合変換器層１１６などの上層に電気的に接続されている。
図７Ｂは、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴとも表記される）、及び／又はポリ（エーテルスルホン）（ＰＥＳ）などの透明又は半透明のプラスチック材料などの可撓性の透明又は半透明の材料で作られた基板１３２上の太陽電池層１１２を示す概略図である。太陽電池層１１２は、図７Ａに示されるものと同じである。
剛性基板は、剛性構造の太陽電池につながるのに対して、可撓性基板は、可撓性の太陽電池構造をもたらす。当業者は、可撓性基板が以下のような多くの利点を提供することを理解するはずである。
１）太陽電池を作るためのロールツーロールコーティング技術及びバッテリを作るためのステンシル印刷技術などの大規模製造技術における使用が容易であること、並びに
２）可撓性太陽電池により、そのすべての層の単純化された製造プロセスが可能になること。
いくつかの実施形態で、太陽電池層１１２、エネルギー貯蔵層１１４（すなわち、バッテリセル１３６又はコンデンサ１３８の層）、及び統合変換器層１１６は、大規模に印刷することができる。
図８は、複数の太陽電池を形成するために基板１３２上に大規模に印刷された、太陽電池層１１２の上述の副層１４２～１５２を示す概略図である。最初に、アノード（ＩＴＯ）副層１４２が、マトリックス形式などの適切なパターンで複数のＩＴＯブロックとしてＰＥＴ基板１３２上に印刷される。次に、複数のＺｎＯ副層１４４がＩＴＯ副層の上に印刷され、各ＺｎＯブロック１４４は、隣接する列のＩＴＯブロック１４２などの複数の隣接したＩＴＯブロック１４２に結合され、それによって並列接続構造を形成する。次に、ＰＥＩＥ、ＢＨＪ、及びＭｏＯ３副層１４６、１４８、及び１５０は、互いに重なり合って複数のブロックとして順次印刷される。ＰＥＩＥ、ＢＨＪ、及びＭｏＯ３副層１４６、１４８、及び１５０の各セットは、アノード副層１４２に印刷された太陽電池（アノード及びカソード副層を勘定に入れない）を形成する。
カソード（Ａｇ又はＡｌ）副層１５２は、最終的に、複数のブロックとして太陽電池上に印刷され、各カソードブロックは、それらが直列に接続されるように、隣接する太陽電池のアノード層１４２まで延びる。
図９は、太陽電池層１１２のＺｎＯ、ＰＥＩＥ、及びＢＨＪ副層１４４、１４６、及び１４８などのいくつかの副層を基板１３２上に印刷することを示す概念図である。これらの実施形態で、ＭｏＯ３及びＡｇ副層１５０及び１５２は、熱蒸発器を使用することによって堆積される。
図９に示されるように、基板１３２は、プラットフォーム１７２の平らな表面に配置される。スロットダイヘッド１７４を備えた印刷装置（図示せず）が、副層／層を印刷するために使用される。スロットダイヘッド１７４は、それぞれの「インク」が充填されたインクカートリッジ１７６を備え、基板１３２（又は印刷層）上を移動して（矢印１７８で指示される）、インクカートリッジ１７６からの材料をそこに堆積させて、太陽電池１１２又はエネルギー貯蔵セル（バッテリセル１３６及び／又はコンデンサ１３８、図示せず）を形成する。具体的には、太陽電池は、最初に基板１３２上に印刷されて太陽電池層１１２を形成し、次にエネルギー貯蔵層１１４（すなわち、バッテリセル１３６及び／又はコンデンサ１３８）は、太陽電池層１１２上に印刷される。次に、多入力電子電力変換器１１６（印刷回路基板の形態）は、エネルギー貯蔵層１１４に結合される。
ここでは、「インク」は、副層／層を製造するための前駆体として使用される、溶液、ゲル、又は粉末などの適切な形態の副層／層材料を意味する。例えば、太陽電池層１１２のＺｎＯ副層１４４を形成するために、ブタノールに溶解したＺｎＯのインクをスロットダイコーティングによって堆積させることができる。各副層のスロットダイ製造中に、熱処理が通常、溶媒を蒸発させるため、又は粉末を融解させて製造された副層を凝固させるために使用される。
図６Ｂに示される実施形態で、超コンデンサ１３８は、エネルギー貯蔵層１１４として使用される。図１０は、超コンデンサ１３８の構造を示す。示されるように、エネルギー貯蔵層１１４又は超コンデンサ１３８は、ｎ個のＡｌＧａＡｓの副層（ｎ＞０は整数）及び（ｎ＋１）個のＧａＡｓの副層などの、複数のヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）／ヒ化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＡｓ）副層を備え、各ＡｌＧａＡｓ副層は、２つの隣接するＧａＡｓ副層の間に挟まれ、それによって複数の半導体コンデンサを形成する。
各ＧａＡｓ又はＡｌＧａＡｓ副層は、ＤＣスパッタリング、高周波（ＲＦ）スパッタリング、及び／又は熱蒸発などの適切な技術を使用することによって堆積させることができる。
図１１Ａは、図６Ａに示される実施形態におけるエネルギー貯蔵層１１４のバッテリセル１３６の構造を示す概略図である。示されるように、各バッテリセル１３６は、それぞれアノード副層２０４及びカソード副層２０８に結合された一対の集電体副層２０２及び２１０と、アノード及びカソード副層２０４及び２０８の間に挟まれた固体電解質副層２０６とを含む、複数の副層を備える。
電流は、集電体副層２０２、アノード副層２０４、固体電解質副層２０６、カソード副層２０８、及び集電体副層２１０を通って流れる。アノード副層２０４は、外部回路に電子を放出し、電気化学反応中に酸化する負極又は還元電極である。カソード副層２０８は、外部回路から電子を獲得し、電気化学反応中に還元される正極又は酸化電極である。
固体電解質副層２０６は、バッテリセル１３６のカソード２０８とアノード２０４との間のイオン輸送機構を提供する媒体である。イオン伝導のために塩、酸、又はアルカリを溶解させている溶媒を含み、通常可燃性である液体形態の電解質と比較して、固体電解質はより安全であり、結果として得られるバッテリアセンブリは、必要とされる安全監視及び／又は安全防止部品及び／又はサブシステムがより少ないので、よりコンパクトになる可能性がある。固体電解質を使用するバッテリは、同様に、エネルギー密度及び電力密度の改善をもたらす。
図１１Ｂは、Ｌｉイオンバッテリセルの形態でバッテリセル１３６の構造を示す概略図である。この実施形態で、集電体副層２０２及び２１０は、アルミニウム箔の薄層であり、アノード副層２０４は、炭素（単層カーボンナノチューブ（ＳＷＣＮＴ）及び炭素粉末を含む、以下により詳細に説明する）及び半相互貫入ポリマーネットワーク（ＳＩＰＮ又は半ＩＰＮ）骨格とともに活性化Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２（すなわち、ＬＴＯ）を含み、カソード副層２０８は、炭素（ＳＷＣＮＴ及び炭素粉末を含む、以下により詳細に説明する）及び半ＩＰＮ骨格とともに活性化ＬｉＣｏＯ２（すなわち、酸化リチウムコバルト又はＬＣＯ）を含み、固体電解質副層２０６は、Ａｌ２Ｏ３及び半ＩＰＮ骨格とともにＬｉＢＦ４を含む。
半ＩＰＮ骨格は、光開始剤として１．０重量パーセント（ｗｔ％）の２－ヒドロキシ－２－メチルプロピオフェノン（ＨＭＰＰ）を組み込んだエトキシル化トリメチロールプロパントリアクリレート（すなわち、ＥＴＰＴＡ）と、ポリ（フッ化ビニリデン－コ－ヘキサフルオロプロピレン）（すなわち、ＰＶｄＦ－ＨＦＰ）から構成される紫外線（ＵＶ）硬化型ポリマーであり、ＨＦＰ含有量は６モルパーセント（ｍｏｌ％）であり、ＥＴＰＴＡ／ＰＶｄＦ－ＨＦＰは７５／２５重量比（ｗ／ｗ）の比率である。半ＩＰＮ骨格は、電極及び電解質の他の材料のバインダとして機能する。
ＬＣＯ及びＬＴＯの導電率を高めるために、電極活性ＬＣＯ又はＬＴＯ粉末（例えば、ナノ粒子）をＳＷＣＮＴでコーティングする。具体的には、ＬＣＯ又はＬＴＯ粉末をＳＷＣＮＴ懸濁溶液に添加し（ＬＣＯ／ＳＷＣＮＴは９９．７５／０．２５ｗ／ｗの比率、ＬＴＯ／ＳＷＣＮＴは９９．３５／０．６５ｗ／ｗの比率）、混合する。次に、混合溶液を濾過して固体を得、それをすすいで乾燥させて、ＳＷＣＮＴコーティングされたＬＣＯ（すなわち、活性化ＬＣＯ）又はＳＷＣＮＴコーティングされたＬＴＯ（すなわち、活性化ＬＴＯ）を得る。
次に、ＳＷＣＮＴコーティングされたＬＣＯナノ粒子をカーボンブラック（すなわち、炭素粉末）及び半ＩＰＮ骨格（５５／６／３９ｗ／ｗ／ｗの比率）と混合することによって、カソード副層２０８を作るための電極ペーストを形成する。次に、ＳＷＣＮＴコーティングされたＬＴＯナノ粒子をカーボンブラック（すなわち、炭素粉末）及び半ＩＰＮ骨格（３０／７／６３ｗ／ｗ／ｗの比率）と混合することによって、アノード副層２０４を作るための電極ペーストを形成する。ここでは、電極の導電率を高めるためにカーボンブラックを使用している。
固体電解質副層２０６は、セバコニトリル（ＳＢＮ）中の１モル濃度（１リットルあたり１モル、Ｍ）のＬｉＢＦ４及び半ＩＰＮ骨格を８５／１５ｗ／ｗの比率で含み、その凝集体は次に、６０／４０ｗ／ｗの比率でＡｌ２Ｏ３（約３００モル濃度）と混合される。Ａｌ２Ｏ３は、電極の短絡を防止するためのスペーサとして使用される。
図１２は、直列に互いに重なり合って印刷され、それらの間に共通の集電体副層（２０２／２１０と表記される）を共有する２つのバッテリセル１３６を示す概略図である。各バッテリセル１３６は、αボルト（Ｖ）の出力電圧を有し、２つのバッテリセル１３６の合成電圧は、２αＶである。
図１３は、ステンシルプリンタデバイスとしてコールドマニュアルラミネータを使用することによってバッテリセル１３６を作るためのステンシル印刷技術を示す。具体的には、一対のローラ２２２が、矢印２２４で指示されるように回転して、矢印２２８で指示されるようにローラ２２２に供給される製作すべきハイブリッドエネルギーデバイス（参照符号１０２’を使用して識別され、基板１３２及びその上に印刷された太陽電池層１１２を有する）に圧力を加える。供給ハイブリッドエネルギーデバイス１０２’は、その上に銅マスク（図示せず）が重ねられて準備される。次に、副層２０４～２０８のそれぞれの副層の上述の材料を有するゲル又はペーストが、マスクされたハイブリッドエネルギーデバイス１０２’に塗布される。ローラ２２２を通過した後、ゲルの薄層２３０（厚さ約１００μｍ）が、マスクされたハイブリッドエネルギーデバイス１０２’上にこのように印刷又はコーティングされる。
図１４は、何も処理溶剤なしで上述のステンシル印刷技術を使用する、アルミニウム集電体副層２０２の上へのアノード副層２０４の製造プロセスを示す。示されるように、アルミニウム集電体副層２０２（図示せず）を有する供給ハイブリッドエネルギーデバイス１０２’にＬＴＯアノードペースト２５２が塗布され、回転ローラ２２２は、それを通過するアノードペースト２５２に圧力を加えて、薄いＬＴＯ膜２０４を形成し、このＬＴＯ膜２０４は、次に、およそ２０００ｍＷ・ｃｍ－２の照射ピーク強度を持つＨｇ ＵＶランプ２５６からのＵＶ照射２５４に３０秒間曝されて固化し、印刷されたＬＴＯアノード副層２０４を形成する。
次に、ハイブリッドエネルギーデバイス１０２’を上述のような類似のステンシル印刷及びＵＶ硬化プロセスでマスクし、電解質ペーストで塗布し、ローラ２２２を通して供給して、アノード副層２０４上に固体電解質副層２０６を印刷することができる。次に、カソード副層２０８は、ハイブリッドエネルギーデバイス１０２’の固体電解質副層２０６上にカソードペーストを印刷して、ＵＶ照射によって硬化させることによって製造することができる。印刷されたカソード副層２０８の上にＡｌ集電体副層２１０が置かれた後、シームレスに統合された全固体バッテリセル層１３６が得られ、それは、モノフルセル、すなわち、単一のバッテリセルを備える完全なバッテリセル層１３６であり得る。
上述のプロセスを繰り返して、別のバッテリセル層１３６を上に印刷し、印刷されたバイポーラバッテリセル１３６を生じさせることができる。
いくつかの実施形態で、図９に示されるスロットダイヘッド１７４を備えた上述の印刷装置は、バッテリセル１３６の副層を印刷するために使用することができる。これらの実施形態で、スロットダイコーティングを使用して固体バッテリセル１３６のすべての副層を印刷するために、特定のヘッド１７４を使用することができる。しかしながら、ステンシル印刷（図１３を参照）は、高粘度のインクでより容易に使用される。そのうえ、本明細書に開示されるバッテリを製造するために薄い（すなわち、ｎｍスケール）層をコーティングする必要がない。バッテリセル１３６の副層は、ステンシル印刷を使用することによって容易に達成され得るマイクロメートルの範囲の比較的大きい厚さを有し得る。
図１５は、ハイブリッドエネルギーデバイス１０２の詳細を示す。この実施例で、エネルギー貯蔵層１１４は、上述のような複数の半導体コンデンサを形成する複数のＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ副層１３８を備える超コンデンサ層である。
いくつかの実施形態で、多入力電子電力変換器１１６は、バッテリセル１３６（図６Ａ及び図６Ｂを参照）の層に印刷、堆積、又は別な方法で統合され得る、統合電子電力変換器であり得る。統合電子電力変換器のブロック図は、図１６Ａ及び図１６Ｂに示されており、それらは、それぞれＡＣ用途及びＤＣ用途向けの統合電子電力変換器１１６を有する太陽エネルギーハーベスティングシステム１００を示す。
図１７Ａは、統合電子電力変換器１１６のブロック図である。示されるように、統合電子電力変換器１１６は、太陽電池入力２８２において太陽電池層１１２の出力を受け取り、太陽電池入力２８２を、出力変換器２８８に出力するための第１の中間形（電圧、電流、周波数、及び／又は位相など）に変換する太陽電池入力変換器２８４を備える。統合電子電力変換器１１６は、同様に、バッテリ入力２９０においてエネルギー貯蔵層１１４の出力を受け取り、バッテリ入力２９０を、出力変換器２８８に出力するための第２の中間形（電圧、電流、周波数、及び／又は位相など）に変換するバッテリ入力変換器２８６を備える。出力変換器２８８は、太陽電池入力変換器２８４及びバッテリ入力変換器２８６からの電気的出力を受け取って合成し、合成電気エネルギーを、負荷及び／又はユーティリティグリッド（図示せず）に出力（２９２）するための適切な形態（電圧、電流、周波数、及び／又は位相など）に変換する。
これらの実施形態で、太陽電池入力変換器２８４、バッテリ入力変換器２８６、及び出力変換器２８８は、高周波回路であり、図１７Ｂに示されるような類似の機能構造を有する。見られるように、変換器２８４、２８６、及び２８８の各変換器は、電気入力を受け取るための電力回路３１２を備える。電力回路３１２は、電気を出力するための駆動回路３１４に結合されている。電気出力を制御するため、及び太陽電池入力２８２とバッテリ入力２９０との間のバランスをとるために、制御及び検知モジュール３１６が駆動回路３１４に結合されている。
図１７Ｃは、統合電子電力変換器１１６の回路図である。示されるように、太陽電池入力変換器２８４、バッテリ入力変換器２８６、及び出力変換器２８８は、強磁性又はフェリ磁性の磁心を備えた変圧器３２２を通して電気的に結合されている。
図１８Ａ～図１８Ｃに示されるように、いくつかの実施形態における統合電子電力変換器１１６は、複数の可撓性印刷回路基板（ＰＣＢ）３３０上の印刷された回路によって形成され得る。
これらの実施形態で、統合電子電力変換器１１６は、集積回路（ＩＣ）チップとして実装され、フェライト材料で作られた磁心層３３４を備え、それによってフェライト磁心を形成している。フェライト磁心３３４は、２つのシリコンベースの配線層３３０の間に挟まれている。図１８Ｃは、統合電子電力変換器１１６の一部の概略斜視図である。図解を容易にするために、統合電子電力変換器１１６の構造は、フェライト磁心３３４と配線層３３０との間に隙間を空けて示されている。しかしながら、当業者は、そのような隙間は図解のためだけのものであり、実際の統合電子電力変換器１１６ではフェライト磁心３３４と配線層３３０との間に何も隙間がない場合があることを理解するはずである。例えば、フェライト磁心３３４は、配線層３３０のいずれかに、印刷、堆積、又は別な方法で統合され得る。
フェライト磁心３３４は、それぞれ、太陽電池入力、バッテリ入力、及び出力変換器２８４、２８６、及び２８８のインダクタＬの磁心として機能するための３つのフェライトループ３３６Ａ、３３６Ｂ、及び３３６Ｃを備える。
３３２Ａ、３３２Ｂ、及び３３Ｃを含む導電性配線３３２は、配線層３３０上に分配され、太陽電池入力、バッテリ入力、及び出力変換器２８４、２８６、及び２８８を接続する。図１８Ｂ及び図１８Ｃに示されるように、対向する配線層３３０上の導電性配線３３２は、ビア３４２（配線層３３０上の導通孔）を通して接続され、フェライト磁心３３４の周りに巻きついている。
いくつかの実施形態で、統合電子電力変換器１１６は、図１８Ａ～図１８Ｃに示され、上述されたものに類似した方式で構造化された、可撓性ＰＣＢで作られた２つの配線層３３０及び磁心層３３４を有する回路基板として実装される。３３２Ａ、３３２Ｂ、及び３３Ｃを含む導電性配線３３２は、可撓性ＰＣＢ ３３０上のエッチングされた導電層で作られている。対向する可撓性ＰＣＢ ３３０上の導電性配線３３２は、ビア３４２を通して接続され、フェライト磁心３３４の周りに巻きついている。
上の実施形態では、太陽電池層１１２は、ＺｎＯ副層１４４及びＰＥＩＥ副層１４６を備えるが、いくつかの代替実施形態では、太陽電池層１１２は、ＺｎＯ副層１４４又はＰＥＩＥ副層１４６のみを備え得る。しかしながら、これらの実施形態における太陽電池層１１２の性能は、低下する可能性がある。
実施形態について添付図面を参照して上で説明してきたが、当業者は、添付の特許請求の範囲によって定められるその範囲から逸脱することなく、変形及び修正を行うことができることを理解するはずである。

Claims (28)

  1. 多層エネルギー装置であって、
    透明又は半透明の基板と、
    前記基板に結合された太陽電池層であって、前記基板を通して光を受け取って、受け取った前記光のエネルギーを第１の電気エネルギーに変換するための複数の太陽電池を備える太陽電池層と、
    前記太陽電池層に結合されたエネルギー貯蔵層であって第２の電気エネルギーを貯蔵するための１つ又は複数のエネルギー貯蔵ユニットを備えるエネルギー貯蔵層と、
    前記エネルギー貯蔵層に結合された変換器層であって、前記太陽電池層及び前記エネルギー貯蔵層から前記第１の電気エネルギー及び前記第２の電気エネルギーを受け取り、電力変換器の出力から第３の電気エネルギーを出力するために、前記太陽電池層及び前記エネルギー貯蔵層に電気的に接続された１つ又は複数の前記電力変換器を備える変換器層と、
    を備える、多層エネルギー装置。
  2. 前記基板は、ガラスの層を含む、請求項１に記載の多層エネルギー装置。
  3. 前記基板は、可撓性の透明又は半透明の材料を含む、請求項１に記載の多層エネルギー装置。
  4. 前記基板は、透明又は半透明のプラスチック材料を含む、請求項１に記載の多層エネルギー装置。
  5. 前記基板は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）及びポリ（エーテルスルホン）（ＰＥＳ）のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の多層エネルギー装置。
  6. 前記太陽電池層は、前記基板に印刷又は堆積される、請求項１～５のいずれか一項に記載の多層エネルギー装置。
  7. 前記エネルギー貯蔵層は、前記太陽電池層に印刷又は堆積される、請求項１～６のいずれか一項に記載の多層エネルギー装置。
  8. 前記太陽電池層は、
    前記基板に結合されたアノード副層と、
    前記アノード副層に結合された酸化亜鉛（ＺｎＯ）の副層と、
    前記ＺｎＯの副層に結合されたポリ（エチレンイミン）及びエトキシル化ポリエチレンイミン（ＰＥＩＥ）の副層と、
    前記ＰＥＩＥの副層に結合された有機太陽電池の副層と、
    前記太陽電池の副層に結合された三酸化モリブデン（ＭｏＯ３）の副層と、
    前記ＭｏＯ３の副層に結合されたカソード副層と、
    を備える、請求項１～７のいずれか一項に記載の多層エネルギー装置。
  9. 前記アノード副層は、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）を含む、請求項８に記載の多層エネルギー装置。
  10. 前記カソード副層は、銀（Ａｇ）又はアルミニウム（Ａｌ）を含む、請求項８又は９に記載の多層エネルギー装置。
  11. 前記太陽電池の副層は、ポリマー太陽電池を含む、請求項８～１０のいずれか一項に記載の多層エネルギー装置。
  12. 前記太陽電池の副層は、バルクヘテロ接合（ＢＨＪ）の副層を含む、請求項８～１０のいずれか一項に記載の多層エネルギー装置。
  13. 前記エネルギー貯蔵層は、１つ又は複数のバッテリセル及び、１つ又は複数の半導体コンデンサのうちの少なくとも１つを備える、請求項８～１２のいずれか一項に記載の多層エネルギー装置。
  14. １つ又は複数の前記バッテリセルの各バッテリセルは、
    第１の集電体副層と、
    前記第１の集電体副層に結合されたアノード副層と、
    前記アノード副層に結合された固体電解質副層と、
    前記固体電解質副層に結合されたカソード副層と、
    前記カソード副層に結合された第２の集電体副層と、
    を備える、請求項１３に記載の多層エネルギー装置。
  15. 前記第１の集電体副層及び前記第２の集電体副層のうちの少なくとも１つが、アルミニウムを含む、請求項１４に記載の多層エネルギー装置。
  16. 前記固体電解質副層は、Ａｌ２Ｏ３及び第１の半相互貫入ポリマーネットワーク（半ＩＰＮ）骨格材料とともにＬｉＢＦ４を含む、請求項１４又は１５のいずれか一項に記載の多層エネルギー装置。
  17. 前記固体電解質副層は、８５／１５重量比（ｗ／ｗ）の比率で、セバコニトリル（ＳＢＮ）中の１モル濃度（１リットルあたり１モル）のＬｉＢＦ４及び第１の半ＩＰＮ骨格材料で作られ、６０／４０ｗ／ｗの比率で約３００モル濃度のＡｌ２Ｏ３と混合される、請求項１４又は１５のいずれか一項に記載の多層エネルギー装置。
  18. 前記アノード副層は、第１の炭素材料及び第２の半ＩＰＮ骨格材料とともに活性化Ｌｉ４Ｔｉ５Ｏ１２（ＬＴＯ）を含む、請求項１４～１７のいずれか一項に記載の多層エネルギー装置。
  19. 前記カソード副層は、第２の炭素材料及び第３の半ＩＰＮ骨格材料とともに活性化ＬｉＣｏＯ２（ＬＣＯ）を含む、請求項１４～１８のいずれか一項に記載の多層エネルギー装置。
  20. 前記第１の炭素材料及び／又は前記第２の炭素材料は、単層カーボンナノチューブ（ＳＷＣＮＴ）及び炭素粉末のうちの少なくとも１つを含む、請求項１８又は１９に記載の多層エネルギー装置。
  21. 前記活性化ＬＴＯは、ＳＷＣＮＴコーティングされた、請求項１８に従属する請求項２０に記載の多層エネルギー装置。
  22. 前記活性化ＬＣＯは、ＳＷＣＮＴコーティングされた、請求項１９に従属する請求項２０に記載の多層エネルギー装置。
  23. 前記半ＩＰＮ骨格材料は、紫外線（ＵＶ）硬化型ポリマーを含む、請求項１７～２２のいずれか一項に記載の多層エネルギー装置。
  24. 前記ＵＶ硬化型ポリマーは、１．０重量パーセント（ｗｔ％）の２－ヒドロキシ－２－メチルプロピオフェノン（ＨＭＰＰ）を組み込んだエトキシル化トリメチロールプロパントリアクリレート（ＥＴＰＴＡ）と、ポリ（フッ化ビニリデン－コ－ヘキサフルオロプロピレン）（ＰＶｄＦ－ＨＦＰ）とを含み、ＨＦＰは６モルパーセント（ｍｏｌ％）であり、ＥＴＰＴＡ／ＰＶｄＦ－ＨＦＰは７５／２５重量比（ｗ／ｗ）の比率である、請求項２３に記載の多層エネルギー装置。
  25. １つ又は複数の前記半導体コンデンサの各半導体コンデンサは、（ｎ＋１）個のヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）の副層と交互に配置されたｎ個のヒ化アルミニウムガリウム（ＡｌＧａＡｓ）の副層を備え、ｎ＞０は整数であり、各ＡｌＧａＡｓの副層は２つの隣接するＧａＡｓの副層の間に挟まれている、請求項１３～２４のいずれか一項に記載の多層エネルギー装置。
  26. 前記変換器層は、太陽電池入力変換器、バッテリ入力変換器、及び出力変換器を有する多入力電子電力変換器を備える、請求項１～２５のいずれか一項に記載の多層エネルギー装置。
  27. 前記太陽電池入力変換器、前記バッテリ入力変換器、及び前記出力変換器のうちの少なくとも１つが、強磁性又はフェリ磁性の磁心の周りに巻きつくコイルを備える、請求項２６に記載の多層エネルギー装置。
  28. 前記太陽電池入力変換器、前記バッテリ入力変換器、及び前記出力変換器のうちの少なくとも１つが、フェライト材料で作られ、２つの配線層の間に挟まれた磁心層を備え、前記配線層の各配線層は、ベース上に導電性配線を備え、２つの前記配線層の前記導電性配線は、前記配線層上の１つ又は複数のビアを通して相互接続されて、前記フェライト材料で作られた磁心の周りに巻きつく前記コイルを形成する、請求項２７に記載の多層エネルギー装置。
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