JP2022538549A - ハイブリッドエネルギー装置、システムおよびその方法 - Google Patents

Abstract

多レイヤ装置は、透明または半透明の基板、その基板に結合されたソーラーセルレイヤ、そのソーラーセルレイヤに結合されたエネルギー貯蔵レイヤ、およびそのエネルギー貯蔵レイヤに結合されたコンバータレイヤを有する。ソーラーセルレイヤは、基板を通して光を受け取り、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ソーラーセルを有し、エネルギー貯蔵レイヤは、第２の電気エネルギーを貯蔵するための１つ以上のエネルギー貯蔵ユニットを有し、コンバータレイヤは、ソーラーセルレイヤおよびエネルギー貯蔵レイヤに電気的に接続され、それらから第１の電気エネルギーおよび第２の電気エネルギーを受け取り、それらの出力を介して第３の電気エネルギーを出力するための１つ以上の電力コンバータを有する。【選択図】図２３

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１９年６月１８日に出願された米国仮特許出願第６２／８６２，８９８号の利益を主張し、参照によりその内容全体が本明細書に組み込まれる。

本開示は、エネルギー装置、システム、およびその方法、特に、様々な用途に電気エネルギーを提供するためのソーラーセルおよびソーラー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およびシステムに関する。

ソーラーエネルギーは、様々な用途のためのクリーンで実用的なエネルギー源として使用されている。例えば、ソーラーパネルは、ソーラーエネルギーを収集し、収集されたソーラーエネルギーを電力に変換して様々な電気デバイスに電力供給するために、屋根などの日当たりの良い場所に配備され得る。様々な形状、スタイル、およびサイズのソーラーパネルが、ソーラータイル、電話充電器、住宅用電化製品、産業機器などの様々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いる。

例えば、図１～３は、参照番号１０を使用して集合的に示されるいくつかの先行技術のソーラーエネルギー収集システムを示している。図１に示されるソーラーエネルギー収集システム１０では、ソーラーパネル１２、より具体的には光起電（ＰＶ）パネルを使用して、ソーラーエネルギーを電気に変換し、それを電子式電力コンバータ１４に出力する。電子式電力コンバータ１４は、受け取った電力を、負荷１６に電力供給するために使用可能な形態に変換する。

電子式電力コンバータ１４はまた、スイッチ１８を介して交流（ＡＣ）商用電力網２０に接続されている。したがって、スイッチ１８が閉じていると、電子式電力コンバータ１４はＡＣ商用電力網２０に電力を出力し、それに電気的に接続された様々なデバイス（図示せず）に電力供給する、または電子式電力コンバータ１４の出力が不十分であるときにＡＣ商用電力網２０を使用して負荷１６に電力供給し得る。

エネルギー貯蔵を使用して、システム１０に信頼性を提供し得る。図２に示されるように、この実施例における先行技術のシステム１０は、別の電子式電力コンバータ２４を介して負荷１６およびＡＣ商用電力網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から出力されるソーラーエネルギーの断続的な性質を補償し、システムの信頼性が向上させ得る。

図３は、図２に示されるものと同様であるが、負荷１６、およびＡＣ商用電力網２０の代わりに直流（ＤＣ）商用電力網２６に接続された先行技術のソーラーエネルギー収集システム１０を示している。

先行技術のソーラーエネルギー収集システムは、以下のような欠点および／または課題を有する。
●太陽光の断続性に起因するソーラーエネルギー生成の信頼性の低さ。
●太陽放射照度が１日の間に変動するにつれてソーラーエネルギー収集システムの動作点（例えば、電圧、電流、および／または同様なもの）が広範囲に変動し、このことがシステムの全体的な効率を著しく低下させる。
●システムは通常、システムに弾力性を提供するために商用電力網を必要とする、すなわち、ソーラーエネルギーが不十分であるかまたは利用できない場合に様々な負荷に電力を提供するための商用電力網を必要とする。

これらの不点および／または課題に起因して、先行技術のソーラーエネルギー収集システムは、ソーラータイル、ソーラー充電器などの多くの新しい用途に最適な解決策を提供しないことがある。したがって、最適ではない、または最適化されていない性能を有する先行技術のソーラーエネルギー収集システムは、その他の点でソーラーエネルギーシステムの急速な成長に悪影響を及ぼすであろう。したがって、信頼性の高いソーラーエネルギー収集ソリューションが望まれている。

電子デバイスは通常、それらの用途に応じて、他のデバイスとの電気的接続、デバイスへの電圧の印加、またはデバイスからの電流の収集のために、カソードおよびアノードを含む少なくとも２つの電極を用いる。光起電装置および発光ダイオード（ＬＥＤ）などの一部の小型デバイスでは、カソードとして金属の薄レイヤ、およびアノードとして導電性の透明な金属酸化物を必要とする。このようなデバイスの典型的な製作プロセスでは、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）のレイヤが、典型的にはマグネトンスパッタリングまたは他の熱的方法によってアノードとして堆積される組成物の第１のレイヤである。上部電極は、用途によっては、透明にすることができる。次いで、組成物の他のレイヤが、必要に応じて、ＩＴＯレイヤに堆積、コーティング、または他の方法で結合され、最後のレイヤがカソードレイヤである。

例えば、図４および図５は、いくつかの先行技術の光起電デバイスおよび有機ＬＥＤ（ＯＬＥＤ）デバイスの最も単純な単一レイヤ構造を示す概略図である。図４に示されるように、先行技術の光起電デバイス４０は、基板４２上に堆積されたアノードレイヤ４４、ならびにそれに続く活性レイヤ４６およびカソードレイヤ４８を備え得る。図５に示されるように、ＯＬＥＤデバイス６０は、基板６２上に堆積されたアノードレイヤ６４、ならびにそれに続く正孔注入／搬送レイヤ６６、活性レイヤ６８、電子注入レイヤ７０、および金属カソードレイヤ７２を備え得る。

先行技術では、これらのデバイスの製作において、熱蒸着、高周波（ＲＦ）スパッタリング、ＤＣスパッタリング、および／または同様なものなどの様々な堆積方法を使用して、活性レイヤなどの前のレイヤの上にカソードレイヤとして銀またはアルミニウムなどの金属の薄膜を堆積させ得る。

図６は、電子デバイスの小規模な製作に広く使用されている先行技術の熱蒸発デバイス８０を示している。図示されるように、先行技術の熱蒸発デバイス８０は、それらの下部にヒータ８４を受け入れる真空チャンバ８２、およびそれらの上部にサンプルホルダ８６を備える。サンプルホルダ８６は、窓８８を備える。

基板９０は、サンプルホルダ８６上に配置され、窓８８に露出する。ヒータ８４は、それらの上で純金属９２を加熱して、その金属９２を蒸発させてガス相にし、ガス相は、矢印９４によって示されるように、サンプルホルダ８６の窓８８を通って上方に流れ、基板９０上に堆積して金属カソードレイヤを形成する。先行技術の熱蒸発デバイス８０はまた、真空チャンバ８２内の真空レベルを監視するための真空計９６、および表面反応を促進する、またはフィルムストイキオメトリを維持するためのＯ_２、Ｎ_２などの周囲ガス（図示せず）を導入するためのガス入口９８を備え得る。

従来の堆積方法は、一般に高レベルの真空を必要とし、これは、電子デバイスの大規模な製作に著しい負担を引き起こし得る。さらに、上記の従来の堆積方法は、以下のような他の欠点も有する：
（１）動作時間が長いこと、
（２）現在のレイヤの堆積中に金属粒子の衝撃により前のレイヤに損傷を引き起こすこと、
（３）費用のかかる処理方法であること。

上記の欠点のために、従来の堆積方法は、電子デバイスの大規模な製作のための最適な解決策を提供しないことがある。したがって、解決のために、性能が改善された処理技術が望まれている。

本開示の実施形態は、ソーラーセル、バッテリセル、およびいくつかの実施形態では電子回路を効率的かつ信頼性の高い方法で統合し、その結果、高効率を有する信頼性の高いエネルギー装置またはモジュールをもたらす、ハイブリッドエネルギー装置またはモジュールに関する。

本開示の一態様によれば、透明または半透明の基板、その基板に結合されたソーラーセルレイヤ、そのソーラーセルレイヤに結合されたエネルギー貯蔵レイヤ、およびそのエネルギー貯蔵レイヤに結合されたコンバータレイヤを有する多レイヤ装置が提供される。ソーラーセルレイヤは、基板を通して光を受け取り、その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ソーラーセルを有し、エネルギー貯蔵レイヤは、第２の電気エネルギーを貯蔵するための１つ以上のエネルギー貯蔵ユニットを有し、コンバータレイヤは、ソーラーセルレイヤおよびエネルギー貯蔵レイヤに電気的に接続され、それらから第１の電気エネルギーおよび第２の電気エネルギーを受け取り、それらの出力を通して第３の電気エネルギーを出力する１つ以上の電力コンバータを有する。

いくつかの実施形態では、基板はガラスのレイヤを含み得る。

いくつかの実施形態では、基板は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ、ポリ（エチレンテレフタレート）とも表記される）、ポリ（エーテルスルホン）（ＰＥＳ）、ポリエチレンナフタレン（ＰＥＮ）、ポリイミド（ＰＩ）、および／または同様のものなどの透明または半透明のプラスチック材料などの可撓性、透明、または半透明の材料を含み得る。

いくつかの実施形態では、ソーラーセルレイヤは、反転有機光起電（ＯＰＶ）構造であり得、反転有機光起電構造は、基板から順に、基板に堆積または他の方法で結合されてアノードとして機能するインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）のサブレイヤ、亜鉛酸化物（ＺｎＯ）のサブレイヤ、エトキシル化ポリ（エチレンイミン）およびポリ（エチレンイミン）のサブレイヤ（すなわち、ＰＥＩＥ）、有機バルクヘテロ接合（ＢＨＪ）のサブレイヤ（すなわち、ｐ型およびｎ型の共役ポリマーのブレンド）のサブレイヤ、三酸化モリブデン（ＭｏＯ_３）のサブレイヤ、ならびにカソードとしての銀（Ａｇ）またはアルミニウム（Ａｌ）のサブレイヤなどの複数のサブレイヤを備える。

いくつかの実施形態では、エネルギー貯蔵レイヤは、１つ以上の半導体コンデンサを備える。

いくつかの実施形態では、各半導体コンデンサは、ｎ個のＡｌＧａＡｓレイヤ（ｎ＞０は整数）および（ｎ＋１）個のＧａＡｓレイヤなどの複数のガリウムヒ素（ＧａＡｓ）／アルミニウムガリウムヒ素（ＡｌＧａＡｓ）サブレイヤを備え、各ＡｌＧａＡｓレイヤは２つの隣接するＧａＡｓレイヤの間に挟まれている。

いくつかの実施形態では、コンバータレイヤは、ソーラー入力コンバータ、バッテリ入力コンバータ、および出力コンバータを有する多入力電子式電力コンバータを備える。

いくつかの実施形態では、ソーラー入力コンバータ、バッテリ入力コンバータ、および出力コンバータのうちのいずれかは、強磁性コアまたはフェリ磁性コアの周囲に巻線するコイルを備え得る。

いくつかの実施形態では、ソーラー入力コンバータ、バッテリ入力コンバータ、および出力コンバータのいずれもが、フェライト材料から作製されて２つの配線レイヤの間に挟まれたコアレイヤを含む少なくとも３つのレイヤの構造を有し得る。各配線レイヤは、ベース上に導電性の配線を備え、２つの配線レイヤの配線は、その上のビアまたは孔を通じて相互接続され、フェライトコアの周囲に巻線するコイルを形成する。

本開示の一態様によれば、ハイブリッド電力システムが提供され、ハイブリッド電力システムは、複数のソーラーセルを有するソーラーセルモジュール、ソーラーセルモジュールの出力を第１の交流（ＡＣ）電流に変換するための１つ以上の第１の半導体を有する第１の回路に電気的に結合されたソーラーセルモジュール、エネルギー貯蔵モジュールの出力を第２のＡＣ電流に変換するための１つ以上の第２の半導体を有する第２の回路に結合されたエネルギー貯蔵モジュール、電力を出力するための１つ以上の第３の半導体を有する第３の回路に結合された出力モジュール、第１の回路および第２の回路を第３の回路に結合する変圧器、ならびに、少なくともソーラーモジュールの出力電圧、エネルギー貯蔵モジュールの出力電圧、第１の回路の電流、第２の回路の出力電流、第３の回路の入力電流、および出力電力の出力電圧に基づいて、第１の半導体、第２の半導体、および第３の半導体のゲート端子に印加される信号を調整することによって出力電力を最適化するための制御モジュールを備える。

本開示の一態様によれば、電力回路が提供され、電力回路は、光起電（ＰＶ）源に結合するための第１の入力回路、エネルギー貯蔵源に結合するための第２の入力回路、第１の入力回路および第２の入力回路に結合され、第１の回路および第２の回路のうちの少なくとも一方から受け取った電気エネルギーを処理および出力するための第３の回路、ならびに、第１の回路、第２の回路、および第３の回路に結合され、ＰＶ源とエネルギー貯蔵源の出力電圧、第３の回路に結合する第１の入力回路と第２の入力回路の出力、および第３の回路の出力電圧に基づいてそれら回路間の電力の流れを制御することによって第３の回路の出力を最適化するための制御回路を備える。

いくつかの実施形態では、第３の回路は、変圧器を介して第１の入力回路および第２の入力回路に結合されており、第１の入力回路および第２の入力回路は変圧器の入力側にあり、第３の回路は変圧器の出力側にある。

いくつかの実施形態では、第１の回路、第２の回路、および第３の回路のそれぞれは、電力変換のための１つ以上の半導体を備える。

いくつかの実施形態では、制御回路は、ＰＶ源およびエネルギー貯蔵源の出力電圧、第３の回路に結合した第１の入力回路および第２の入力回路の出力、ならびに第３の回路の出力電圧に基づいて第１の回路、第２の回路、および第３の回路の半導体のゲート端子に印加されるゲート信号を調整することによって第３の回路の出力を最適化するように構成されている。

いくつかの実施形態では、第１の入力回路および第２の入力回路の出力は、第１の入力回路および第２の入力回路の出力電流であり、電源回路は、第１の入力回路および第２の入力回路の出力電流を感知するための１つ以上の電流センサをさらに備える。

いくつかの実施形態では、制御回路は、ＰＶ源およびエネルギー貯蔵源の出力電流のうちの少なくとも１つ、ならびに第３の回路の入力電流にさらに基づいて第３の回路の出力を最適化するように構成されている。

いくつかの実施形態では、第３の回路の出力は、直流（ＤＣ）出力であり、電源回路は、第３の回路のＤＣ出力を交流（ＡＣ）出力に変換するために第３の回路に結合されたＤＣ－ＡＣインバータ回路をさらに備え、制御回路は、ＰＶ源およびエネルギー貯蔵源の出力電圧、第３の回路に結合した第１の入力回路および第２の入力回路の出力電流、第３の回路の出力電圧、ＤＣ－ＡＣインバータ回路の出力電圧、ならびにＤＣ－ＡＣインバータ回路の出力電流に基づいてＤＣ－ＡＣインバータ回路の出力を最適化するように構成されている。

いくつかの実施形態では、第１の入力回路および第２の入力回路の出力は、第１の入力回路および第２の入力回路の出力電圧であり、電力回路は、ＰＶ源、エネルギー貯蔵源、および第３の回路の出力電圧、ならびに第１の回路、第２の回路、および第３の回路の半導体のゲート信号に基づいて第１の入力回路および第２の入力回路の出力電流を推定するための１つ以上の電流推定器をさらに備える。

いくつかの実施形態では、第１の回路、第２の回路、および第３の回路のうちの少なくとも１つの１つ以上の半導体は、窒化ガリウム（ＧａＮ）ゲートであり、電源回路は、ＧａＮゲートがシュートスルーするのを防止するためのＧａＮゲートドライバ回路をさらに備え、ＧａＮゲートドライバ回路は、レベルシフタ回路を備える。

いくつかの実施形態では、レベルシフタ回路は、ツェナーダイオード、および並列に結合されかつ抵抗器に直列に接続されたコンデンサを備える。

いくつかの実施形態では、第３の回路は、寄生容量を補償するために変圧器の出力側に並列インダクタを備える。

本開示の一態様によれば、エネルギー装置が提供され、エネルギー装置は、透明または半透明の基板、基板に結合されたソーラーセルレイヤであって、ソーラーセルレイヤは、基板を通して光を受け取り、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ソーラーセルを備える、ソーラーレイヤ、ソーラーセルレイヤに結合されたエネルギー貯蔵レイヤであって、エネルギー貯蔵レイヤは、第２の電気エネルギーを貯蔵するための１つ以上のエネルギー貯蔵ユニットを備える、エネルギー貯蔵レイヤ、ならびに、ソーラーセルレイヤおよびエネルギー貯蔵レイヤに結合され、それらから電気エネルギーを受け取り、処理し、その処理されたエネルギーを出力を介して出力するためのコンバータレイヤを備え、コンバータレイヤは、上記の電力回路を備え、ソーラーセルレイヤおよびエネルギー貯蔵レイヤをそれぞれＰＶ源およびエネルギー貯蔵源として使用する。

本開示の一態様によれば、熱電リサイクル構造が提供され、熱電リサイクル構造は、熱源と係合し、それらから熱源から生成された熱を受け取るための第１の構成要素、第１の構成要素から離間された第２の構成要素、および第１の構成要素と第２の構成要素との間に挟まれ、第１の構成要素から熱を受け取り、受け取った熱を電力に変換するための熱非伝導性電子正孔搬送熱電レイヤを備える。

いくつかの実施形態では、熱電リサイクル構造は、熱電レイヤの反対側で第１の構成要素に結合され、第１の構成要素を熱源と係合させるための光収集レイヤをさらに備え、光収集レイヤは、光を収集するためのメタ表面、および収集された光を変換された熱に変換し、変換された熱を熱電レイヤに伝達するためのメタ表面に結合されたナノワイヤレイヤを備える。

いくつかの実施形態では、熱電レイヤは、１つ以上の二次元（２Ｄ）材料で作製された１つ以上の熱電部品を含む。

いくつかの実施形態では、１つ以上の２Ｄ材料は、２Ｄペロブスカイトを含む。

いくつかの実施形態では、１つ以上の熱電構成要素は、１つ以上の２Ｄ材料で作製された連続熱電シートを備える。

いくつかの実施形態では、熱電レイヤは、互いに分離された複数の熱電構成要素を備える。

いくつかの実施形態では、熱電レイヤは、それらの１つ以上のサブ波長寸法を有する複数の導電性ナノチャネルを備える。

いくつかの実施形態では、熱電レイヤは、約１０ナノメートル（ｎｍ）の厚さを有する。

本開示の一態様によれば、エネルギー装置が提供され、エネルギー装置は、透明または半透明の基板、基板に結合されたソーラーセルレイヤであって、ソーラーセルレイヤは、基板を通して光を受け取り、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ソーラーセルを含む、ソーラーセルレイヤ、ソーラーセルレイヤに結合されたエネルギー貯蔵レイヤであって、エネルギー貯蔵レイヤは、第２の電気エネルギーを貯蔵するための１つ以上のエネルギー貯蔵ユニットを含む、エネルギー貯蔵レイヤ、ソーラーセルレイヤおよびエネルギー貯蔵レイヤに結合され、それらから電気エネルギーを受け取り、処理し、処理されたエネルギーを出力を介して出力するためのコンバータレイヤ、ならびに、ソーラーセルレイヤおよびそれから生成された熱を受け取るためのコンバータレイヤのうちの少なくとも一方に結合された、請求項１３～２０に記載の熱電リサイクル構造のうちの少なくとも１つを備える。

本開示の一態様によれば、超コンデンサが提供され、超コンデンサは、１つ以上のコンデンサレイヤ、ならびに、第１の電気端子および第２の電気端子を備え、各コンデンサレイヤは、電気絶縁メンブレンサブレイヤを挟む一対の導電性薄膜サブレイヤ、各薄膜サブレイヤとメンブレンサブレイヤとの間の導電性媒体、ならびに、一対の薄膜サブレイヤおよびメンブレンサブレイヤを挟む第１の導体サブレイヤおよび第２の導体サブレイヤであって、第１の導体サブレイヤは第１の電気端子に結合され、第２の導体サブレイヤは第２の電気端子に結合されている、第１の導体サブレイヤおよび第２の導体サブレイヤを備える。

いくつかの実施形態では、薄膜サブレイヤは、活性炭素、グラフェン、およびグラファイトのうちの少なくとも１つを含む。

いくつかの実施形態では、導電性媒体は、イオン性液体、導電性インク、および集電体のうちの少なくとも１つを含む。

いくつかの実施形態では、導電性媒体は、メンブレンサブレイヤ上にコーティングされている。

いくつかの実施形態では、イオン液体は、１－エチル－３－メチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート（ＥＭＩＭＢＦ４）を含む。

いくつかの実施形態では、導電性薄膜サブレイヤ、メンブレンサブレイヤ、ならびに第１導体サブレイヤおよび第２の導体サブレイヤは、可撓性である。

いくつかの実施形態では、導電性薄膜サブレイヤ、ならびに第１の導体サブレイヤおよび第２の導体サブレイヤは、スロットダイコーティング、スプレーコーティング印刷、およびドクターブレードのうちの少なくとも１つを使用してメンブレンサブレイヤにコーティングされている。

本開示の一態様によれば、エネルギー装置が提供され、エネルギー装置は、透明または半透明の基板、基板に結合されたソーラーセルレイヤであって、ソーラーセルレイヤは、基板を通して光を受け取り、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ソーラーセルを備える、ソーラーセルレイヤ、ソーラーセルレイヤに結合されたエネルギー貯蔵レイヤであって、エネルギー貯蔵レイヤは、第２の電気エネルギーを貯蔵するための１つ以上のエネルギー貯蔵ユニットを備える、エネルギー貯蔵レイヤ、ならびに、ソーラーセルレイヤおよびエネルギー貯蔵レイヤに結合され、それらから電気エネルギーを受け取り、処理し、処理されたエネルギーを出力を介して出力するためのコンバータレイヤを備え、エネルギー貯蔵レイヤは、１つ以上の上記の超コンデンサを備える。

ここで、本開示の実施形態が、以下の図面を参照して記載され、図面では、異なる図面における同一の参照番号は同一の要素を示す。

負荷および／または交流（ＡＣ）商用電力網に接続する先行技術のソーラーエネルギー収集システムを示す概略図であり、ソーラーエネルギー収集システムは、ソーラーエネルギーを収穫するためのソーラーパネルを有している。 負荷に接続する、および／またはＡＣ商用電力網に接続する、先行技術のソーラーエネルギー収集システムを示す概略図であり、ソーラーエネルギー収集システムは、ソーラーパネルおよびエネルギー貯蔵を有している。 負荷および／または直流（ＤＣ）商用電力網に接続する先行技術のソーラーエネルギー収集システムを示す概略図であり、ソーラーエネルギー収集システムは、ソーラーパネルおよびエネルギー貯蔵を有している。 金属カソードレイヤを有する先行技術の光起電デバイスを示す概略図である。 金属カソードレイヤを有する先行技術のソーラーセルまたは発光デバイス（ＬＥＤ）を示す概略図である。 電子デバイスの小規模な製作のための先行技術の熱蒸発デバイス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、負荷および／またはＡＣ商用電力網に接続するソーラーエネルギー収集システムを示す。 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、負荷および／またはＤＣ商用電力網に接続するソーラーエネルギー収集システムを示す。 本開示のいくつかの実施形態による、図７および図８に示されるソーラーエネルギー収集システムのハイブリッドエネルギーデバイスの物理的構造を示す概略図であり、ハイブリッドエネルギーデバイスは、エネルギー貯蔵としてのバッテリセルのレイヤを備える。 本開示のいくつかの実施形態による、図７および図８に示されるソーラーエネルギー収集システムのハイブリッドエネルギーデバイスの物理的構造を示す概略図であり、ハイブリッドエネルギーデバイスは、エネルギー貯蔵としての超コンデンサのレイヤを備える。 本開示のいくつかの実施形態による、図７および図８に示されるソーラーエネルギー収集システムのハイブリッドエネルギーデバイスの物理的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９Ａおよび図９Ｂに示されるハイブリッドエネルギーデバイスのソーラーセルレイヤおよび基板を示す概略図であり、基板はガラスで作製されている。 本開示のいくつかの実施形態による、図９Ａおよび図９Ｂに示されるハイブリッドエネルギーデバイスのソーラーセルレイヤおよび基板を示す概略図であり、基板は、透明または半透明のプラスチックで作製されている。 図１１Ｂに示されるソーラーセルレイヤの複数のサブレイヤを示す概略図であり、基板上に大規模に印刷され、複数のソーラーセルを形成している。 図９Ａおよび図９Ｂに示されるハイブリッドエネルギーデバイスのソーラーセルレイヤおよびエネルギー貯蔵レイヤを基板上に印刷することを示す概念図である。 本開示の様々な実施形態によるソーラーセルレイヤを示す。 図９Ｂに示される超コンデンサの構造を示す。 図９Ａ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レイヤのバッテリセルの構造を示す概略図である。 リチウムイオンバッテリセルの形態である、図９Ａに示されるバッテリセルの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、リチウムイオンバッテリセルの形態である、図９Ａに示されるバッテリセルの構造を示す概略図である。 互いの上に直列に印刷され、それらの間で共通の集電体サブレイヤを共有する２つのバッテリセルを示す概略図である。 コールドマニュアルラミネータをステンシルプリンタデバイスとして使用することによってバッテリセルを作成するためのステンシル印刷技術を示す。 図２１に示されるステンシル印刷技術を使用して、いかなる処理溶媒も用いない、集電体サブレイヤの上にアノードサブレイヤを製作するプロセスを示す。 図９Ａおよび図９Ｂ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用途およびＤＣ用途のための集積電子式電力コンバータを有するソーラーエネルギー収集システムのブロック図である。 図２４Ａおよび図２４Ｂに示される集積電子式電力コンバータの機能的構造を示す概略図であり、集積電子式電力コンバータは、ソーラー入力コンバータ、バッテリ入力コンバータ、および出力コンバータを備える。 図２５Ａに示さるソーラー入力コンバータ、バッテリ入力コンバータ、および出力コンバータの機能的構造を示す概略図である。 図２４Ａおよび図２４Ｂに示される集積電子式電力コンバータの回路図である。 本開示のいくつかの実施形態による、図２４Ａおよび図２４Ｂに示される集積電子式電力コンバータの物理的実装を示す概略図である。 図２６Ａに示される集積電子式電力コンバータの断面線Ａ－Ａに沿った断面図である。 本開示のいくつかの実施形態による、図２６Ａに示される集積電子式電力コンバータの一部分の概略斜視図である。 本開示のいくつかの実施形態による、図７および図８に示されるソーラーエネルギー収集システムのＤＣハイブリッドエネルギーデバイスを示す回路図であり、ＤＣハイブリッドエネルギーデバイスは、ＤＣエネルギーデバイスに電力供給するための集積ＤＣ電力コンバータを有する。 図２７に示されるＤＣハイブリッドエネルギーデバイスのソーラーセルモジュールにおけるいくつかの信号の波形を示す。 本開示のいくつかの実施形態による、図２７に示されるＤＣハイブリッドエネルギーデバイスの電流整形制御モジュールのブロック図である。 図２７に示されるＤＣハイブリッドエネルギーデバイスの電流整形制御モジュールの波形を示す。 ゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）制御回路を使用し、それらの電流がスイッチング時点で正確な極性を有するようにすることによって、図２７に示されるＤＣハイブリッドエネルギーデバイスの変圧器二次側電力半導体のパルスが生成されることを示すブロック図である。 本開示のいくつかの実施形態による、ＤＣ負荷および／またはＤＣ電力網に電力供給するために並列に接続されている、図２７に示される複数のＤＣハイブリッドエネルギーデバイスを示すブロック図である。 本開示のいくつかの実施形態による、ＤＣ負荷および／またはＤＣ電力網に電力供給するために直列に接続されている、図２７に示される複数のＤＣハイブリッドエネルギーデバイスを示すブロック図である。 本開示のいくつかの実施形態による、ＤＣ／ＡＣインバータを介してＡＣ負荷および／またはＡＣ電力網に電力供給するために並列に接続されている、図２７に示される複数のＤＣハイブリッドエネルギーデバイスを示すブロック図である。 本開示のいくつかの実施形態による、ＤＣ／ＡＣインバータを介してＡＣ負荷および／またはＡＣ電力網に電力供給するために直列に接続されている、図２７に示される複数のＤＣハイブリッドエネルギーデバイスを示すブロック図である。 本開示のいくつかの実施形態による、図７および図８に示されるソーラーエネルギー収集システムのＡＣハイブリッドエネルギーデバイスを示す回路図であり、ＡＣハイブリッドエネルギーデバイスは、ＡＣエネルギーデバイスに電力供給するための集積ＡＣ電力コンバータを有する。 本開示のいくつかの実施形態による、ＡＣ負荷および／またはＡＣ電力網に電力供給するために並列に接続されている、図３６に示される複数のＡＣハイブリッドエネルギーデバイスを示すブロック図である。 本開示のいくつかの実施形態による、それらの後壁にハイブリッドエネルギーデバイスが統合された携帯電話ケースを示す概略図である。 図３８に示されるハイブリッドエネルギーデバイスの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、ハイブリッドエネルギーデバイスがそれらのスクリーンに集積された携帯電話を示す概略図である。 図４０に示されるハイブリッドエネルギーデバイスの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２７に示されるＤＣハイブリッドエネルギーデバイスの電流整形制御モジュールのブロック図であり、電流整形制御モジュールは、デジタル高周波（ＨＦ）電流波形を推定するためにＨＦ電流推定器６０２を使用する。 過充電問題を有するＧａＮゲートドライバ回路を示す回路図である。 本開示のいくつかの実施形態による、ＧａＮゲートドライバ回路を示す回路図である。 シュートスルー問題を回避するためのレベルシフト回路を示す回路図である。 寄生容量を有する電力コンバータを示す回路図である。 本開示のいくつかの実施形態による、ソフトスイッチングおよび寄生容量の補償を有するＤＣ電力コンバータを示す回路図である。 熱源に結合された熱電ユニットを示す概略図である。 図４８に示される熱電ユニットの詳細を示す概略図である。 図４８に示される熱電ユニットの一部分を拡大して示す概略図である。 図４８に示される熱電ユニットと一体化された光起電（ＰＶ）パネルの例示的な実装の概略斜視図である。 本開示のいくつかの実施形態による、光起電－熱電ユニットを示す概略図である。 図５１Ａに示される光起電－熱電ユニットの一部分を拡大して示す概略図である。 メタ表面の一部分の概略斜視図である。 本開示のいくつかの実施形態による、メタ表面の一部分の概略斜視図である。 本開示のいくつかの実施形態による、熱電ユニットを示す概略図であり、熱電ユニットは、複数のナノチャネルを並列に備える。 本開示のいくつかの実施形態による、熱電ユニットを示す概略図であり、熱電ユニットは、複数のナノチャネルを並列および直列を混在して備える。 本開示のいくつかの実施形態による、超コンデンサの構造を示す概略図である。 図５４Ａに示される超コンデンサのコンデンサレイヤ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、対称超コンデンサまたは対称超コンデンサセルの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、スプレーコーティング技術を使用する、図５５に示される超コンデンサまたは超コンデンサセルの大規模な製作プロセスを示す概略図である。 図４５に示される複数の超コンデンサセルを好適な絶縁体と積層することによって形成された超コンデンサを示す概略斜視図である。

ソーラーエネルギー収集システムの概要
ここで図７を参照すると、本開示のいくつかの実施形態によるソーラーエネルギー収集システムが示され、全体的に参照番号１００を使用して識別される。図示されるように、ソーラーエネルギー収集システム１００は、負荷１０４に電力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はまた、スイッチ１０８を介して交流（ＡＣ）商用電力網１０６に接続されている。したがって、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様々なデバイス（図示せず）に電力供給するために、または、ハイブリッドエネルギーデバイス１０２の出力が不十分であるときにＡＣ商用電力網１０６を使用して負荷１０４に電力供給するために、ＡＣ商用電力網１０６に電力を出力し得る。

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、ソーラーエネルギーを収集し、第１のエネルギー源として機能するための複数のソーラーセルを有する光起電（ＰＶ）パネルなどのソーラーパネル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。ソーラーパネル１１２およびエネルギー貯蔵１１４は、電力を多入力電子式電力コンバータ１１６に出力する。多入力電子式電力コンバータ１１６は、受け取った電力を、負荷１０４に電力供給する、および／またはＡＣ商用電力網１０６に出力するのに好適な形態（例えば、好適な電圧、電流、周波数、および／または同様のものを有する）に変換し、ソーラーパネル１１２の出力を使用してエネルギー貯蔵１１４を充電する。さらに、多入力電子式電力コンバータ１１６は、異なる構成要素間の電力の流れを制御する。

図８は、本開示のいくつかの実施形態によるソーラーエネルギー収集システム１００を示している。これらの実施形態におけるソーラーエネルギー収集システム１００は、ハイブリッドエネルギーデバイス１０２が直流（ＤＣ）商用電力網１１８に接続されていることを除いて、図７に示されるものと同様である。多入力電子式電力コンバータ１１６はまた、異なる構成要素間の電力の流れを制御する。

図７および図８に示される実施形態では、ソーラーセル１１２、エネルギー貯蔵１１４、および多入力電子式電力コンバータ１１６を含むハイブリッドエネルギーデバイス１０２は、基板に印刷、堆積、または他の方法で結合された集積デバイスであり、異なる実施形態では異なる実装を有し得る。

図９Ａおよび図９Ｂは、異なる実施形態における様々なエネルギー貯蔵１１４を有するハイブリッドエネルギーデバイス１０２の物理的構造を示す概略図である。

図９Ａに示される実施形態では、ハイブリッドエネルギーデバイス１０２は、ガラス、透明または半透明のプラスチック、透明または半透明のポリマー、および／または同様のものなどの１つ以上の好適な透明または半透明の材料で作製された基板１３２を備える。ソーラーセルのレイヤ１３４は、基板１３２に印刷、堆積、またはその他の方法で結合されている。したがって、透明基板１３２は、ソーラーセル１１２が周囲光または入射光に曝されることを可能にし、ソーラーセルレイヤ１１２およびそれらの上の他のレイヤに支持および保護を提供する。

これらの実施形態では、エネルギー貯蔵１１４は、ソーラーセルのレイヤ１１２に印刷、堆積、または他の方法で結合されたバッテリセルのレイヤ１３６を備える。多入力電子式電力コンバータの回路のレイヤ１１６は、バッテリセルのレイヤ１３６に結合されている。ソーラーセルのレイヤ１１２、バッテリセルのレイヤ１３６、および多入力電子式電力コンバータのレイヤ１１６は、図７または図８に従って電気的に接続されている（図示せず）。

図９Ｂ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、これらの実施形態において、エネルギー貯蔵１１４が１つ以上のコンデンサ１３８または超コンデンサ（すなわち、大きな静電容量を有するコンデンサ）を備えることを除いて、図９Ａに示されるものと同様である。

図９Ａおよび図９Ｂに示される実施形態では、ソーラーセル１１２は、基板１３２上にコーティングされ、その後に（バッテリセル１３６または超コンデンサ１３８である）エネルギー貯蔵レイヤ１１４およびコンバータレイヤ１１６が続く。図１０に示されるいくつかの実施形態では、レイヤの順序は、基板１３２、コンバータ１１６、（図１０に示される実施例ではバッテリセル１３６である）エネルギー貯蔵レイヤ１１４、およびソーラーセルレイヤ１１２であってもよい。

これらの実施形態では、基板１３２は、ＰＥＴなどの可撓性物質を含み得る。ＵＶ硬化性エポキシのレイヤが、保護のために基板１３２の上に塗布されてもよい。

図１１Ａは、ガラスで作製された基板１３２上のソーラーセルレイヤ１１２を示す概略図である。図示されるように、ソーラーセルレイヤ１１２は、基板１３２から順に、基板１３２上に堆積または他の方法で結合されたインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）などの好適な材料で作製されたアノードサブレイヤ１４２、亜鉛酸化物（ＺｎＯ）のサブレイヤ１４４、ポリ（エチレンイミン）およびポリ（エチレンイミン）エトキシル化（すなわち、ＰＥＩＥ）のサブレイヤ１４６、バルクヘテロ接合（ＢＨＪ）などのポリマーソーラーセルのサブレイヤなどの有機ソーラーセルのサブレイヤ１４８、三酸化モリブデン（ＭｏＯ_３）のサブレイヤ１５０、および銀（Ａｇ）またはアルミニウム（Ａｌ）などの好適な材料で作製されたカソードサブレイヤ１５２などの複数のサブレイヤを備える。アノード１４２およびカソード１５２は、エネルギー貯蔵レイヤ１１４（すなわち、バッテリセルレイヤ１３６または超コンデンサレイヤ１３８）および／または集積型コンバータレイヤ１１６などの上位レイヤに電気的に接続されている。

図１１Ｂは、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ、ポリ（エチレンテレフタレート）としても表記される）、ポリ（エーテルスルホン）（ＰＥＳ）、ポリエチレンナフタレン（ＰＥＮ）、ポリイミド（ＰＩ）、および／または同様のものなどの可撓性の透明または半透明の材料で作製された基板１３２上のソーラーセルレイヤ１１２を示す概略図である。ソーラーセルレイヤ１１２は、図１１Ａに示されるものと同じである。

ガラス基板は剛性構造のソーラーセルをもたらし、一方、プラスチック基板は可撓性ソーラーセル構造になる。当業者は、プラスチック基板が以下のような多くの利点を提供することを理解されよう。
１）ソーラーセルを作製するためのロールツーロールコーティング技術およびバッテリを作製するためのステンシル印刷技術などの大規模な製作技術での使用の容易さ。
２）可撓性ソーラーセルにより、それらのすべてのレイヤの単純化された製作プロセスが可能になること。

いくつかの実施形態では、ソーラーセルレイヤ１１２、エネルギー貯蔵レイヤ１１４（すなわち、バッテリレイヤ１３６またはコンデンサレイヤ１３８）、および集積型コンバータレイヤ１１６は、大規模に印刷され得る。

図１２は、基板１３２上に大規模に印刷されて複数のソーラーセルを形成するソーラーセルレイヤ１１２の上記のサブレイヤ１４２～１５２を示す概略図である。まず、アノード（ＩＴＯ）サブレイヤ１４２は、マトリックス形態の複数のＩＴＯブロックとしてＰＥＴ基板１３２上に印刷される。次いで、複数のＺｎＯサブレイヤ１４４がＩＴＯサブレイヤの上に印刷され、各ＺｎＯブロック１４４は、隣接する行の複数の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。次いで、ＰＥＩＥサブレイヤ１４６、ＢＨＪサブレイヤ１４８、およびＭｏＯ_３サブレイヤ１５０が、互いの上に複数のブロックとして順次印刷される。ＰＥＩＥサブレイヤ１４６、ＢＨＪサブレイヤ１４８、およびＭｏＯ_３サブレイヤ１５０の各セットは、アノードサブレイヤ１４２上に印刷されたソーラーセル（アノードおよびカソードサブレイヤを考慮せずに）を形成する。

カソード（ＡｇまたはＡｌ）サブレイヤ１５２は、最終的に複数のブロックとしてレイヤスタック上に印刷され、各カソードブロックは、隣接するソーラーセルのアノードレイヤ１４２まで延在して直列に接続される。

上記の実施形態では、ソーラーセルレイヤ１１２は、ＺｎＯサブレイヤ１４４およびＰＥＩＥサブレイヤ１４６を備えるが、いくつかの代替的な実施形態では、ソーラーセルレイヤ１１２は、ＺｎＯサブレイヤ１４４およびＰＥＩＥサブレイヤ１４６のうちの一方のみを備え得る。しかしながら、これらの実施形態におけるソーラーセルレイヤ１１２の性能は低下することがある。

図１３は、ソーラーセルレイヤ１１２のＺｎＯサブレイヤ１４４、ＰＥＩＥサブレイヤ１４６、およびＢＨＪサブレイヤ１４８などのいくつかのサブレイヤの基板１３２への印刷を示す概念図である。これらの実施形態では、ＭｏＯ_３サブレイヤ１５０およびＡｇサブレイヤ１５２は、熱蒸発器を使用することによって堆積される。

図１３に示されるように、基板１３２は、プラットフォーム１７２の平面上に配置されている。スロットダイヘッド１７４を備えた印刷デバイス（図示せず）を使用して、サブレイヤ／レイヤを印刷する。スロットダイヘッド１７４は、それぞれの「インク」で充填されたインクカートリッジ１７６を備え、基板１３２（または印刷レイヤ）上を移動して（矢印１７８で示される）、インクカートリッジ１７６からそこに材料を堆積させてソーラーセル１１２またはエネルギー貯蔵セル（図示せず）を形成する。まず、ソーラーセル１１２が基板１３２上に印刷され、ソーラーセルレイヤ１１２上にエネルギー貯蔵レイヤ１１４（すなわち、バッテリセル１３６または超コンデンサ１３８）が印刷される。次いで、（プリント回路基板の形態の）多入力電子式電力コンバータ１１６が、エネルギー貯蔵レイヤ１１４に結合される。

本明細書において、「インク」は、サブレイヤ／レイヤの製作のための前駆体として使用される、溶液、ゲル、または粉末などの好適な形態のサブレイヤ／レイヤ材料を指す。例えば、ブタノールに溶解された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て、ソーラーセルレイヤ１１２のＺｎＯサブレイヤ１４４を形成し得る。各サブレイヤのスロットダイ製作中、通常、熱処理を使用して溶媒を蒸発させ、製作されたサブレイヤを固化させる。

図１４に示されるように、いくつかの実施形態では、ソーラーセルレイヤ１１２は、従来のＯＰＶ構造であり得、ＯＰＶ構造は、基板１３２から順に、ＩＴＯアノードのサブレイヤ１４２、ポリ（３，４－エチレンジオキシチオフェン）ポリスチレンスルホン酸（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）のサブレイヤ１４３、活性レイヤ１４８としてのＢＨＪのサブレイヤ、およびカソードとしてのＡｌまたはＡｇのサブレイヤ１５２などの複数のサブレイヤを備える。効率的な励起子閉じ込めを行うために、より多くの有機または無機の電荷搬送レイヤをこの構成に挿入してもよく、これにより、性能の改善がもたらされる。

図１５に示されるいくつかの実施形態では、ソーラーセルレイヤ１１２は、基板１３２から順に、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）サブレイヤ１５９、ＦＴＯコーティングされた基板１３２上に直接堆積された電子搬送二酸化チタン（ＴｉＯ_２）サブレイヤ１５７、純粋な２Ｄ、純粋な３Ｄ、または混合２Ｄ－３Ｄハイブリッド無機－有機ペロブスカイトサブレイヤ１５５、２，２’、７，７’－テトラキス－（Ｎ、Ｎ－ｄｉ－４－メトキシフェニルアミノ）－９，９’－スピロビフルオレン（Ｓｐｉｒｏ－ＯＭｅＴＡＤ）またはペロブスカイトサブレイヤ１５５の上に堆積し得るその他の好適な正孔搬送材料のサブレイヤ１５３、およびカソードサブレイヤを形成するＡｇまたはＡｌ堆積１５２などの複数のサブレイヤを備える。

ＦＴＯを使用することは、ＦＴＯ１５９の仕事関数とＴｉＯ_２の伝導帯との間のより良好なエネルギーレベルの位置合わせの利点を有する。

図１６に示されるいくつかの実施形態では、ソーラーセルレイヤ１１２は、基板１３２から順に、ＦＴＯサブレイヤ１５９、ＴｉＯ_２サブレイヤ１５７、無機量子ドット（ＱＤ）レイヤ１５５、薄いＭｏＯ_３サブレイヤ１６１、続いてＡｌ、Ａｇ、または金（Ａｕ）の電極１５２などの複数のサブレイヤを備え得る。

これらの実施形態では、ＩＴＯおよびＦＴＯの両方を使用することができる。ＱＤ１５５の伝導帯エネルギーレベルに応じて、両方の金属酸化物（すなわち、ＩＴＯおよびＦＴＯ）は、ソーラーセルからの効率的な電荷抽出のための低エネルギー障壁を提供し得る。次いで、ＺｎＯまたはＴｉＯ_２のいずれかが、ＩＴＯコーティングまたはＦＴＯコーティングされた基板１３２上に堆積される。次いで、活性レイヤ１５５は、電子搬送金属酸化物上にコーティングされる。その後、製作プロセスは、薄いＭｏＯ_３サブレイヤ１６１、続いてＡｌ、Ａｇ、または金（Ａｕ）電極を堆積することによって完了する。

図１７に示されるいくつかの実施形態では、ソーラーセルレイヤ１１２は、タンデム構造であってもよく、タンデム構造は、直列にＱＤソーラーセルレイヤ１７５に結合されたペロブスカイトサブレイヤ１７１を備え、中間レイヤ１７３がそれらの間に挟まれている。中間レイヤ１７３は、任意の好適な有機材料または無機材料であってもよい。このような構成では、まず、上部金属電極を堆積することなく、セルのうちの一方が製作される。次いで、他方のセルが上部に直接製作され、続いて上部電極が堆積される。ＱＤ材料およびペロブスカイト材料の両方の効果的な光子収集機能によって提供される、効率的で安定したタンデムソーラーセルを実現することができ、これは、次いで、ソーラーエネルギー収集システム１００の他の構成要素と一体化され得る。

図９Ｂに示される実施形態では、超コンデンサ１３８がエネルギー貯蔵レイヤ１１４として使用されている。図１８は、超コンデンサ１３８の構造を示している。図示されるように、エネルギー貯蔵レイヤ１１４または超コンデンサレイヤ１３８は、ｎ個のアルミニウムガリウムヒ素（ＡｌＧａＡｓ）レイヤ（ｎ＞０は整数）および（ｎ＋１）個のガリウムヒ素（ＧａＡｓ）レイヤなどの複数のＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓサブレイヤを備え、各ＡｌＧａＡｓレイヤが２つの隣接するＧａＡｓレイヤの間に挟まれ、それによって、複数の半導体コンデンサを形成する。

各ＧａＡｓまたはＡｌＧａＡｓサブレイヤは、ＤＣスパッタリング、高周波（ＲＦ）スパッタリング、熱蒸着、および／または同様のものなどの好適な技術を使用して堆積し得る。

図１９Ａは、図９Ａに示される実施形態におけるエネルギー貯蔵レイヤ１１４のバッテリセル１３６の構造を示す概略図である。図示されるように、バッテリセル１３６は、それぞれアノードサブレイヤ２０４およびカソードサブレイヤ２０８に結合された一対の集電体サブレイヤ２０２および２１０、ならびにアノードサブレイヤ２０４およびカソードサブレイヤ２０８の間に挟まれたセパレータサブレイヤ２０６を含む複数のサブレイヤを備える。

電流は、アノードサブレイヤ２０４およびカソードサブレイヤサブレイヤ２０８に結合された集電体サブレイヤ２０２および２１０を通って流れる。アノードサブレイヤ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電極または還元電極である。カソードサブレイヤ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電極または酸化電極である。

セパレータサブレイヤ２０６は、バッテリセル１３６のカソード２０８とアノード２０４との間の短絡電流を防止し、またそれらの間のイオン搬送メカニズムを提供する媒体である。様々な実施形態において、セパレータサブレイヤ２０６は、固体電解質および／または他の好適な材料を含み得る。イオン伝導のために塩、酸、またはアルカリを溶解する溶媒を含み、通常は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、必要な安全監視および／または安全予防構成要素および／またはサブシステムが削減されるため、よりコンパクトであり得る。固体電解質を使用するバッテリは、エネルギー密度および電力密度の改善も提供する。

図１９Ｂは、リチウムイオンバッテリセルの形態のバッテリセル１３６の構造を示す概略図である。この実施形態では、集電体サブレイヤ２０２および２１０のそれぞれは、アルミ箔または導電紙の薄いレイヤである。アノードサブレイヤ２０４は、炭素（単一レイヤカーボンナノチューブ（ＳＷＣＮＴ）および炭素粉末を含み、以下でより詳細に記載される）、ならびに、セバコニトリルに溶解した半相互貫入ポリマーネットワーク（ＳＩＰＮまたは半ＩＰＮ）スケルトンおよびリチウム塩（テトラフルオロホウ酸リチウム（ＬＩＢＦ_４）など）を含む電解質ゲルによって活性化されたＬｉ_４Ｔｉ_５Ｏ_１２（すなわち、ＬＴＯ）である。セパレータサブレイヤ２０６は、この実施形態ではＡｌ_２Ｏ_３である固体電解質および上記の電解質ゲルによって形成される。カソードサブレイヤ２０８は、炭素（ＳＷＣＮＴおよび炭素粉末を含み、以下でより詳細に記載される）および電解質ゲルによって活性化されたＬｉＣｏＯ_２（すなわち、コバルト酸リチウムまたはＬＣＯ）である。

半ＩＰＮスケルトンは、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）、およびヘキサフルオロプロピレン（ＨＦＰ）含有量が６モルパーセント（ｍｏｌ％）のポリ（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）から構成された紫外線（ＵＶ）硬化性ポリマーであり、ＥＴＰＴＡ／ＰＶｄＦ－ＨＦＰの比が７５／２５重量比（ｗ／ｗ）である。半ＩＰＮスケルトンは、電極および電解質内の他の材料の結合剤として機能する。

ＬＣＯおよびＬＴＯの伝導率を高めるために、電極活性ＬＣＯまたは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またはＬＴＯ粉末をＳＷＣＮＴ懸濁溶液（ＬＣＯ／ＳＷＣＮＴの比が９９．７５／０．２５ｗ／ｗ、ＬＴＯ／ＳＷＣＮＴの比が９９．３５／０．６５ｗ／ｗ）に添加し、混合する。次いで、混合溶液を濾過して固体を得、これをすすぎ、乾燥させて、ＳＷＣＮＴでコーティングされたＬＣＯ（すなわち、活性化ＬＣＯ）またはＳＷＣＮＴでコーティングされたＬＴＯ（すなわち、活性化ＬＴＯ）を得る。

次いで、ＳＷＣＮＴで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）および半ＩＰＮスケルトンと（５５／６／３９ｗ／ｗ／ｗの比で）混合することによって、カソードサブレイヤ２０８を作製するための電極ペーストを形成する。次いで、ＳＷＣＮＴで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）および半ＩＰＮスケルトンと（３０／７／６３ｗ／ｗ／ｗの比で）混合することによって、アノードサブレイヤ２０４を作製するための電極ペーストを形成する。本明細書では、電極の伝導率を高めるために、カーボンブラックが使用される。

固体電解質セパレータサブレイヤ２０６は、セバコニトリル（ＳＢＮ）および半ＩＰＮスケルトン中に１モル（ｍｏｌ／リットル、Ｍ）のＬｉＢＦ_４を８５／１５ｗ／ｗの比で含み、次いで、凝集体をＡｌ_２Ｏ_３（約３００モル）と６０／４０ｗ／ｗの比で混合する。Ａｌ_２Ｏ_３をスペーサとして使用して、電極の任意の短絡を防止する。

図１９Ｂに示されるバッテリセル１３６は、液体電解質を使用する従来のリチウムイオンバッテリと比較して、安全および可撓性であるなどの多くの利点を有する。他方では、図１９Ｂに示されるバッテリセル１３６はまた、複雑な製造（複数の印刷段階を必要とする）および低いアノード容量という欠点を有し、大規模な製作に適していないことがある。

図１９Ｃは、本開示のいくつかの実施形態による、リチウムイオンバッテリセルの形態のバッテリセル１３６の構造を示す概略図である。この実施形態では、集電体サブレイヤ２０２および２１０のそれぞれは、アルミ箔または導電紙の薄いレイヤである。アノードサブレイヤ２０４は、グラファイトを有するＳＷＣＮＴおよび上記の電解質ゲルを含む活性化Ｓｉである。セパレータレイヤ２０６は、ポリエチレンまたは紙ベースのナノ多孔質材料である。カソードサブレイヤ２０８は、炭素（ＳＷＣＮＴおよび炭素粉末を含む）および電解質ゲルを用いて活性化されたＬＣＯである。

ＬＴＯを使用する図１９Ｂに示されるバッテリセル１３６と比較して、これらの実施形態におけるグラファイトおよびＳｉの使用により、バッテリセル１３６の容量を改善する。集電体サブレイヤ２０２および２１０としてアルミ箔を使用することと比較して、導電紙を使用することにより、バッテリセル１３６の重量が低減され、アノード２０４およびカソード２０８と集電体２０２および２１０との起こり得る化学反応が低減され得る。さらに、紙ベースまたはポリプロピレンベース（ＰＰ）のセパレータを使用することにより、製作プロセスが安価かつ容易になり、したがって、これらの実施形態におけるバッテリセル１３６は、大規模な製作にとって費用効果が高い。

半ＩＰＮスケルトンは、光開始剤として１．０ｗｔ％ＨＭＰＰを組み込んだＥＴＰＴＡから構成されたＵＶ硬化性ポリマーである。半ＩＰＮスケルトンは、電極および電解質中の他の材料に対する結合剤として機能する。

ＬＣＯおよびＳｉの伝導率を増加させるために、電極活性ＬＣＯまたはＳｉ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またはＳｉ粉末をＳＷＣＮＴ懸濁溶液（ＬＣＯ／ＳＷＣＮＴの比が９９．７５／０．２５ｗ／ｗ、Ｓｉ／ＳＷＣＮＴの比が９９．００／１．００ｗ／ｗ）に添加し、混合する。次いで、混合溶液を濾過して固体を得、これをすすぎ、乾燥させて、ＳＷＣＮＴでコーティングされたＬＣＯ（すなわち、活性化ＬＣＯ）またはＳＷＣＮＴでコーティングされたＳｉ（すなわち、活性化Ｓｉ）を得る。

次いで、ＳＷＣＮＴで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）および電解質ゲルと（５５／６／３９ｗ／ｗ／ｗの比で）混合することによって、カソードサブレイヤ２０８を作製するための電極ペーストを形成する。次いで、ＳＷＣＮＴでコーティングされたＳｉナノ粒子をグラファイトおよび電解質ゲルと（５／４５／５０ｗ／ｗ／ｗの比で）混合することによって、アノードサブレイヤ２０４を作製するための電極ペーストを形成する。本明細書では、電極の伝導率を高めるために、カーボンブラックが使用される。

ナノ多孔質セパレータサブレイヤ２０６は、紙メンブレン、ＰＰもしくはポリエチレン（ＰＥ）ベースのメンブレン、または同様のものなどのナノ多孔質メンブレンを備える。

図２０は、互いに直列に印刷され、それらの間で共通の集電体サブレイヤ（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、ボルト（Ｖ）の出力電圧を有し、２つのバッテリセル１３６の合計電圧は２ａＶである。

図２１は、コールドマニュアルラミネータをステンシルプリンタデバイスとして使用することによってバッテリセル１３６を作製するためのステンシル印刷技術を示している。特に、一対のローラー２２２は、矢印２２４によって示されるように回転して、製造されるハイブリッドエネルギーデバイス（１０２’として表記され、基板１３２およびそれらの上に印刷されるソーラーセルレイヤ１１２を有する）に圧力を印加し、ハイブリッドエネルギーデバイスは、矢印２２８によって示されるように、ローラー２２２に給送される。給送ハイブリッドエネルギーデバイス１０２’は、その上に重ねられた銅マスク（図示せず）を伴って用意され、ゲルまたはペーストが、それぞれサブレイヤ２０４～２０８のうちの１つの上記の材料を有し、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。したがって、ローラー２２２を通過した後、ゲルの薄いレイヤ２３０（約１００μｍの厚さを有する）は、マスクされたハイブリッドエネルギーデバイス１０２’上に印刷またはコーティングされる。

図２２は、処理溶媒を用いない上記のステンシル印刷技術を使用して、アルミニウムまたは導電紙集電体サブレイヤ２０２の上にアノードサブレイヤ２０４を製作するプロセスを示している。図示されるように、ＬＴＯアノードペースト２５２は、アルミニウムまたは導電紙集電体サブレイヤ２０２（図示せず）を有する給送ハイブリッドエネルギーデバイス１０２’に塗布され、回転ローラー２２２は、そこを通過するアノードペースト２５２に圧力を印加して薄いＬＴＯフィルム２０４を形成し、これは、次いで、約２０００ｍＷ．ｃｍ^－２の照射ピーク強度を有するＨｇ ＵＶランプ２５６からのＵＶ照射２５４に３０秒間曝露されて、固化し、印刷されたＬＴＯアノードサブレイヤ２０４を形成する。

次いで、ハイブリッドエネルギーデバイス１０２’を、マスクし、電解質ペーストを塗布し、上記と同様のステンシル印刷およびＵＶ硬化プロセスでローラー２２２を通して給送し、アノードサブレイヤ２０４上に固体電解質セパレータサブレイヤ２０６を印刷し得る。次いで、カソードサブレイヤ２０８は、ハイブリッドエネルギーデバイス１０２’の固体電解質セパレータサブレイヤ２０６上にカソードペーストを印刷することによって製作され、ＵＶ照射によって硬化され得る。Ａｌ集電体サブレイヤ２１０を印刷されたカソードサブレイヤ２０８の上に配置した後、継ぎ目なく集積された全固体バッテリセルレイヤ１３６が得られ、これはモノフルセル、すなわち単一のバッテリセルを備えるバッテリセルレイヤ１３６全体であり得る。

上記のプロセスを繰り返して、別のバッテリセルレイヤ１３６を上部に印刷して、印刷されたバイポーラバッテリセル１３６を誘起させ得る。

いくつかの実施形態では、図１３に示されるスロットダイヘッド１７４を有する上記の印刷デバイスを使用して、バッテリセル１３６のサブレイヤを印刷してもよい。これらの実施形態では、特定のヘッド１７４を使用して、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のすべてのサブレイヤを印刷してもよい。しかしながら、ステンシル印刷（図２１を参照）は、高粘度インクをともに使用することがはるかに容易である。さらに、本明細書に開示されるバッテリを製作するために、薄い（すなわち、ｎｍスケール）レイヤ（ｎｍスケール）をコーティングする必要はない。バッテリセル１３６のサブレイヤは、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厚い厚さを有し得る。

図２３は、ハイブリッドエネルギーデバイス１０２の詳細を示している。この実施例では、エネルギー貯蔵レイヤ１１４は、上記のように複数の半導体コンデンサを形成する複数のＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓサブレイヤ１３８を備える超コンデンサレイヤである。

集積電子式電力コンバータ
いくつかの実施形態では、多入力電子式電力コンバータ１１６は、バッテリセルのレイヤ１３６に印刷、堆積、または他の方法で集積され得る集積電子式電力コンバータであってもよい（図９Ａおよび図９Ｂを参照）。図２４Ａおよび図２４Ｂに示される集積電子式電力コンバータのブロック図は、それぞれ、ＡＣおよびＤＣ用途のための集積電子式電力コンバータ１１６を有するソーラーエネルギー収集システム１００を示している。

図２５Ａは、集積電子式電力コンバータ１１６のブロック図である。図示されるように、集積電子式電力コンバータ１１６は、ソーラー入力２８２においてソーラーセルレイヤ１１２の出力を受け取り、ソーラー入力２８２を第１の中間形態（電圧、電流、周波数、および／または同様のもの）に変換して出力コンバータ２８８に出力するソーラー入力コンバータ２８４を備える。集積電子式電力コンバータ１１６はまた、バッテリ入力２９０においてエネルギー貯蔵レイヤ１１４の出力を受け取り、バッテリ入力２９０を第２の中間形態（電圧、電流、周波数、および／または同様のもの）に変換して出力コンバータ２８８に出力するバッテリ入力コンバータ２８６を備える。出力コンバータ２８８は、ソーラー入力コンバータ２８４およびバッテリ入力コンバータ２８６からの電気出力を受け取り、統合し、統合された電気エネルギーを、好適な形態（電圧、電流、周波数、および／または同様のもの）に変換して、負荷および／または商用電力網（図示せず）に出力（２９２）する。

これらの実施形態では、ソーラー入力コンバータ２８４、バッテリ入力コンバータ２８６、および出力コンバータ２８８は、高周波（ＨＦ）回路であり、図２５Ｂに示されるものと同様の機能構造を有する。見て分かるように、コンバータ２８４、２８６、および２８８のそれぞれは、電力を出力するための駆動回路３１４に結合された、電力入力を受け取るための電力回路３１２を備える。制御および感知モジュール３１６は、電力出力を制御し、ソーラー入力２８２とバッテリ入力２９０との間の均衡を保つために駆動回路３１４に結合されている。

図２５Ｃは、集積電子式電力コンバータ１１６の回路図である。図示されるように、ソーラー入力コンバータ２８４、バッテリ入力コンバータ２８６、および出力コンバータ２８８は、変圧器３２２を通じて強磁性コアまたはフェリ磁性コアに電気的に結合されている。制御および感知モジュール３１６は、ソーラー入力コンバータ２８４およびバッテリ入力コンバータ２８６のそれぞれの出力電流ｉ_ｐ１およびｉ_ｐ２（ｉ＝１または２であるｉ_ｐｉとして集合的に表記される）、ならびに出力コンバータ２８８の出力電圧ｖ_ｏを感知し、ｉ_Ｐｉおよびｖ_ｏを使用して、ソーラー入力コンバータ２８４、バッテリ入力コンバータ２８６、出力コンバータ２８８のパラメータを調整し、それらの性能を最適化する。

図２６Ａ～図２６Ｃに示されるように、いくつかの実施形態における集積電子式電力コンバータ１１６は、複数の可撓性プリント回路基板（ＰＣＢ）３３０上のプリント回路によって形成されてもよい。

これらの実施形態では、集積電子式電力コンバータ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製されたコアレイヤ３３４を備え、それによってフェライトコアを形成する。フェライトコア３３４は、２つのシリコンベースの配線レイヤ３３０の間に挟まれている。図２６Ｃは、集積電子式電力コンバータ１１６の一部分の概略斜視図である。説明を容易にするために、集積電子式電力コンバータ１１６の構造は、フェライトコア３３４と配線レイヤ３３０との間に間隙を伴って示されている。しかしながら、当業者は、このような間隙が例示目的のためだけであり、実際の集積電子式電力コンバータ１１６は、フェライトコア３３４と配線レイヤ３３０との間にいかなる間隙も有さなくてもよいことを理解されよう。例えば、フェライトコア３３４は、配線レイヤ３３０のいずれか１つに印刷、堆積、または他の方法で集積され得る。

フェライトコア３３４は、３つのフェライトループ３３６Ａ、３３６Ｂ、および３３６Ｃを備え、それぞれ、ソーラー入力コンバータ２８４、バッテリ入力コンバータ２８６、および出力コンバータ２８８のインダクタＬｓのコアとして機能する。

３３２Ａ、３３２Ｂ、および３３２Ｃを含む伝導性配線３３２は、配線レイヤ３３０上に分散され、ソーラー入力コンバータ２８４、バッテリ入力コンバータ２８６、および出力コンバータ２８８を接続する。図２６Ｂおよび図２６Ｃに示されるように、反対側の配線レイヤ３３０上の伝導性配線３３２は、ビア３４２（配線レイヤ３３０上の伝導性孔）を通して接続され、フェライトコア３３４の周囲に巻き付けられている。

いくつかの実施形態では、集積電子式電力コンバータ１１６は、可撓性ＰＣＢから作製された２つの配線レイヤ２２０、および図２６Ａ～図２６Ｃに示され、上記に記載のものと同様の方法で構造化されたコアレイヤ３３４を有する回路基板として実装される。３３２Ａ、３３２Ｂ、および３３２Ｃを含む伝導性配線３３２は、可撓性ＰＣＢ３３０上のエッチングされた伝導性レイヤで作製される。反対側の可撓性ＰＣＢ３３０上の伝導性配線３３２は、ビア３４２を通して接続され、フェライトコア３３４の周囲に巻き付けられる。

ハイブリッドエネルギーデバイスの回路
図２７は、本開示のいくつかの実施形態による、集積ＤＣ電力コンバータ１１６ＤＣを有し、それの出力４０２でＤＣエネルギーデバイス（図示せず、集合的に「出力デバイス」と表記される）に電力供給するＤＣハイブリッドエネルギーデバイス１０２を示す回路図である。ＤＣ電力コンバータ１１６ＤＣは、ハイブリッドエネルギーデバイス１０２に集積され、ソーラーセル１１２およびエネルギー貯蔵１１４をそれぞれの出力デバイスに電気的に接続し得る。

これらの実施形態では、集積ＤＣ電力コンバータ１１６ＤＣは、ソーラー入力コンバータ２８４、エネルギー貯蔵コンバータ２８６、および出力コンバータ２８８を含む複数のＨＦ回路モジュールを備える。集積ＤＣ電力コンバータ１１６ＤＣはまた、ソーラーセル１１２、エネルギー貯蔵１１４、および出力４０２の間の電力の流れを正確に制御するための電流整形制御モジュール３１６を備え、これは、ＨＦ変圧器３３２を通過するＨＦ電流を整形して所望の性能を達成する。

図２７に示されるように、回路モジュール２８４、２８６、および２８８のそれぞれは、一対の金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴｓ）（ソーラー入力コンバータ２８４内のＱ_１、ＰＶおよびＱ_２、ＰＶ、エネルギー貯蔵コンバータ２８６内のＱ_１、ＥＳおよびＱ_２、ＥＳ、出力コンバータ２８８内のＱ_１、ｏおよびＱ_２、ｏ）などの一対の電力半導体をＬＣ回路（この例では２つのコンデンサおよびインダクタを有する）をともに備え、変圧器３２２を介して電気的に結合するためのスイッチ回路を形成する。回路モジュール２８４、２８６、および２８８は、それらの電力半導体ゲート端子Ｑ_１、ＰＶ、Ｑ_２、ＰＶ、Ｑ_１、ＥＳ、Ｑ_２、ＥＳ、Ｑ_１、ｏ、およびＱ_２、ｏに印加される信号を調整することによって制御され得る。

図２７に示される実施形態では、電流整形制御モジュール３１６は、ソーラーセルレイヤ１１２の出力電圧ｖ_ｐｖ、エネルギー貯蔵レイヤ１１４の出力電圧ｖ_Ｂａｔ、変圧器３２２を介して出力コンバータ２８８に結合するためのソーラー入力コンバータ２８４およびエネルギー貯蔵コンバータ２８６のそれぞれの出力電流ｉ_ｐ、ＰＶ、ｉ_ｐ、ＥＳ（集合的にｉ_ｐと表記される）、および出力コンバータの２８８の出力電圧ｖ_ｏを含む複数のパラメータを感知する。電流整形制御モジュール３１６は、電力半導体ゲート端子（集合的にＱ_ｉ、ＰＶ、Ｑ_ｉ、ＥＳ、およびＱ_ｉ、ｏと表記され、ｉ＝１または２である）に印加される信号を制御することによって、集積ＤＣ電力コンバータ１１６ＤＣの性能を最適化する。

特に、上述の検知されたパラメータに基づいて、電流成形制御モジュール３１６は、ゲート端子信号Ｑ_ｉ、ＰＶ、Ｑ_ｉ、ＥＳ、およびＱ_ｉ、ｏを制御して、変圧器ＰＶ側２８４における電力半導体のデューティサイクルｄ_ＰＶ、変圧器バッテリ側２８６のデューティサイクルｄ_ＥＳ、変圧器出力側２８８における電力半導体のデューティサイクルｄ_ｏ、変圧器ＰＶ側２８４における電力半導体のパルスと出力側２８８における電力半導体のパルスとの間の位相シフト（すなわちφ_ＰＶ）、変圧器バッテリ側２８６における電力半導体のパルスと出力側２８８における電力半導体のパルスとの間の位相シフト（すなわちφ_ＥＳ）、およびスイッチング周波数（すなわちＴ_ｓ）などの様々な信号パラメータを調整して、３つのモジュール２８４、２８６、および２８８のＨＦ電流を成形する。

図２８は、ソーラーセルモジュール２８４におけるいくつかの信号のＨＦ波形を示している。

図２９は、いくつかの実施形態においてソーラーセルモジュール２８４を制御するための電流整形制御モジュール３１６のブロック図である。この図によれば、ソーラーセルモジュール２８４からの電力出力は、変圧器ＰＶ側電力半導体のパルスＱ_ｉ、ＰＶ（ｉ＝１、２）と変圧器出力側電力半導体のパルスとの間の位相シフトφ_ＰＶを使用して制御される。特に、電流整形制御モジュール３１６は、変圧器の瞬時電流の最大値として一定の基準電流値Ｉ_ｍａｘを使用し、一対の基準信号ｖ＊_ＰＶおよびｉ＊_ＰＶを生成して、信号ｋ_ｄ、ＰＶを出力するコントローラ４１２に入力する（ここでは「＊」は基準信号を表す）。電流整形制御モジュール３１６はまた、入力信号Ｑ_１、ｏまたはＱ_２、ｏの立ち上がりエッジを検出し、所定の長さを有するパルスを出力するために、一対の単安定マルチバイブレータ回路を使用する。エネルギー貯蔵モジュール２８６についても同様の制御を実行することができる。

一般に、電流整形制御モジュール３１６は、増幅器４１４および４１６の入力側でそれぞれ２つの信号ｉ_ｒｅｆ１およびｉ_ｒｅｆ２を、Ｑ_２、ｏ＝’１’の場合は、ｉ_ｒｅｆ１＝Ｉ_ｍａｘ－ｋ_ｄ、ＰＶ×ｔに、Ｑ_１、ｏ＝’１’の場合は、ｉ_ｒｅｆ２＝Ｉ_ｍａｘ－ｋ_ｄ、ＰＶ×ｔに決定する。
ここで、「×」は乗算を表す。

次いで、信号ｉ_ｒｅｆ１およびｉ_ｒｅｆ２は、それぞれ、増幅器４１４および４１６において、Ｑ_２、ｏｘ｜ｉ_ｐ、ＰＶ｜およびＱ_１、ｏｘ｜ｉ_ｐ、ＰＶ｜（「｜ａ｜」はａの絶対値を表す）から差し引かれ、増幅器４１４および４１６の出力を使用して、Ｓ－Ｒフリップフロップ４１８をトリガーし、信号Ｑ_１、ＰＶおよびＱ_２、ＰＶを生成する。

エネルギー貯蔵モジュール２８６を制御するための電流整形制御モジュール３１６は、位相シフトが動作の充電モードまたは放電モードに応じて正および負であり得ることを除いて、図２９に示されるものと同様であり得る。

図３０は、電流整形制御モジュール３１６に関する波形を示している。コントローラは、コントローラ４１２によって生成される信号ｉ_ｒｅｆ１およびｉ_ｒｅｆ２のドループ勾配ｋ_ｄｉ（ｉ＝１，２）を調整して、位相シフトを調整し、電力を制御する。変圧器電流ｉ_ｐ、ＰＶまたはｉ_ｐ、ＥＳの勾配は（入力および出力電圧に応じて）正または負であり得るため、ドループ勾配を制御するとことにより、変圧器電流勾配にかかわらず、位相シフトを効果的に制御し得る。ｄ_ＰＶ、ｄ_ｏ、Ｔ_ｓなどの他の制御変数を使用して、電力半導体のソフトスイッチングを確実にし得る。

図３１は、ゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）制御回路４２２を使用することによる変換器二次側電力半導体のパルスの発生を示すブロック図であり、このＺＶＳ制御回路４２２は、ＨＦ電流ｉ_ｐ（ｉ_ｐ、ＰＶまたはｉ_ｐ、ＥＳであってもよい）がスイッチング時点において正しい極性を有することを確実にする。

図３２に示されるいくつかの実施形態では、複数のＤＣハイブリッドエネルギーデバイス１０２（図２７を参照）を並列に接続さるかまたは他の方法で組み合わせて、ＤＣ負荷１０４および／またはＤＣ電力網１１８に電力供給し得る。

図３３に示されるいくつかの実施形態では、本明細書に記載の複数のＤＣハイブリッドエネルギーデバイス１０２を直列に接続されるかまたは別の方法で組み合わせて、ＤＣ負荷１０４および／またはＤＣ電力網１１８に電力供給し得る。これらの実施形態の利点は、各ハイブリッドエネルギーデバイス１０２の電圧出力が低くなり得る一方で、複数のハイブリッドエネルギーデバイス１０２の組み合わせが、必要に応じて高電圧出力を提供し得ることである。

いくつかの実施形態では、ＤＣハイブリッドエネルギーデバイス１０２は、ＤＣ／ＡＣインバータを用いてＡＣ負荷および／またはＡＣ電力網に電力供給するために使用され得る。例えば、図３４は、単一入力ＤＣ／ＡＣインバータ４３２を介してＤＣ負荷１０４および／またはＤＣ電力網１１８に電力供給するために並列に接続された複数のＤＣハイブリッドエネルギーデバイス１０２を示している。図３１は、単一入力ＤＣ／ＡＣインバータ４３２を介してＤＣ負荷１０４および／またはＤＣ電力網１１８に電力供給するために直列に接続された複数のＤＣハイブリッドエネルギーデバイス１０２を示している。

図３６は、本開示のいくつかの実施形態による、ＡＣエネルギーデバイス（図示せず、集合的に出力デバイスと表記される）に電力供給するための集積ＡＣ電力コンバータ１１６ＡＣを有するその出力４０２でＡＣハイブリッドエネルギーデバイス１０２を示す回路図である。ＡＣ電力コンバータ１１６ＡＣは、ハイブリッドエネルギーデバイス１０２に集積され、ソーラーセル１１２およびエネルギー貯蔵１１４をそれぞれの出力デバイスに電気的に接続し得る。

図３６に示されるように、集積ＡＣ電力コンバータ１１６ＡＣは、集積ＡＣ電力コンバータ１１６ＡＣの出力コンバータ２８８が一対の電力半導体Ｑ_３、ｏおよびＱ_４、ｏならびにインダクタＬ_ｇをさらに備えることを除いて、集積ＤＣ電力コンバータ１１６ＤＣと同様である。したがって、集積ＡＣ電力コンバータ１１６ＡＣの電流整形制御モジュール３１６はまた、ＡＣ出力電圧ｖ_ｇおよびＡＣ出力電流ｉ_ｇを感知して最適化する。感知されたパラメータに基づいて、電流整形制御モジュール３１６はまた、電力半導体Ｑ_３、ｏおよびＱ_４、ｏ（すなわち、図３６において、ｉ＝１、２、３、４であるＱ_ｉ、ｏ）のゲート端子に印加される信号を調整する。

これらの実施形態では、電流整形制御モジュール３１６は、集積ＤＣ電力コンバータ１１６ＤＣのものと同様である。例えば、ソーラーセルモジュール２８４を制御するための電流整形制御モジュール３１６は、図２９に示されるものと同様の構造を有し得る。これらの実施形態における電流整形制御モジュール３１６はまた、図３１に示されるものと同様のＺＶＳ制御回路を使用して、変圧器二次側電力半導体のパルスを生成し、ＨＦ電流ｉ_ｐがスイッチング時点において正しい極性を有することを確実にし得る。

当業者には、図３７に示されるいくつかの実施形態では、図３６に示される複数のＡＣハイブリッドエネルギーデバイス１０２を並列に接続されるかまたは別の方法で組み合わせて、ＡＣ負荷１０４および／またはＡＣ電力網１０６に電力供給し得る。

ソーラーエネルギー収集システムの例示的な使用
上記のソーラーエネルギー収集システム１００はまた、必要に応じて、取り外し可能な部分として、またはそれらの集積部分として、様々な電気デバイスおよび電子デバイス内に存在し得る。

例えば、図３８は、複数の側壁５０２および後壁５０４を有し、それによって凹部５０６を形成して、その中にスマートフォンなどの携帯電話（図示せず）を受容する携帯電話ケース５００を示している。ハイブリッドエネルギーデバイス１０２は、それらの後壁５０２に一体化されている。図３９に示すように、ハイブリッドエネルギーデバイス１０２は、携帯電話ケース５００の後壁５０２から順に、電子式電力コンバータ１１６、エネルギー貯蔵レイヤ１１４、ソーラーセルレイヤ１１２、および透明なガラス片などの透明な基板１３２を備える。エネルギー貯蔵レイヤ１１４は、電子式電力コンバータ１１６を介して携帯電話内のバッテリに接続されている。

いくつかの代替の実施形態では、ハイブリッドエネルギーデバイス１０２は、エネルギー貯蔵レイヤ１１４を備えなくてもよい。むしろ、ソーラーセルレイヤ１１２は、電子式電力コンバータ１１６を介して携帯電話内のバッテリに接続されている。

いくつかの代替的な実施形態では、ケース５００は、タブレットなどの他の携帯デバイス用のケースであってもよい。

いくつかの代替的な実施形態では、ハイブリッドエネルギーデバイス１０２は、携帯電話またはタブレットの後壁に一体化されてもよい。

いくつかの代替的な実施形態では、ハイブリッドエネルギーデバイス１０２は、ラップトップコンピューティングデバイスのディスプレイの後壁に一体化されてもよい。

図４０に示されるいくつかの実施形態では、ハイブリッドエネルギーデバイス１０２は、携帯電話５４０のスクリーン５４２に一体化されてもよい。

図４１に示されるように、スクリーン５４２は、最外レイヤから最内レイヤまで、タッチ検出（例えば、静電容量式タッチ検出）のための１つ以上のサブレイヤを有するガラスなどの透明な基板レイヤ１３２、画像を表示するための複数のＬＥＤを有するディスプレイレイヤ５４４、ソーラーセルレイヤ１１２、エネルギー貯蔵レイヤ１１４、および電子式電力コンバータ１１６を備える。ディスプレイレイヤ５４４は、透明ＯＬＥＤレイヤなどの透明レイヤであり、透明レイヤは、光がそれを通過してその下のソーラーセルレイヤ１１２に到達することを可能にする。エネルギー貯蔵レイヤ１１４は、電子式電力コンバータ１１６を介して携帯電話内のバッテリに接続されている。代替的に、携帯電話５４０は、エネルギー貯蔵レイヤ１１４以外の別個のバッテリのセットを備えなくてもよい。

これらの実施形態では、携帯電話５４０は、エネルギー貯蔵レイヤ１１４を備えなくてもよい。むしろ、ソーラーセルレイヤ１１２は、電子式電力コンバータ１１６を介して携帯電話５４０のバッテリに接続されている。

様々な実施形態において、スクリーン５４２は、ソーラーセルレイヤ１１２の下に位置し得る、またはレイヤが透明である場合、ソーラーセルレイヤ１１２の上に位置し得る他の必要なレイヤをさらに含み得る。

いくつかの代替的な実施形態では、ディスプレイレイヤ５４４は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）レイヤであってもよい。これらの実施形態では、画像を表示するために必要な照明を提供するためにバックライトが必要とされ得る。さらに、ソーラーセルレイヤ１１２の光エネルギー変換効率は、ディスプレイレイヤ５４４上に表示される画像によって影響され得る。例えば、ソーラーセルレイヤ１１２の光エネルギー変換は、表示レイヤ５４４がその上に暗いまたは黒い画像を表示するときに、著しく低減されるか、または無効にさえされ得る。

いくつかの代替的な実施形態では、スクリーン５４２は、透明な基板１３２とディスプレイレイヤ５４４との間に光変換レイヤをさらに備えてもよい。光変換レイヤは、１つ以上のメタ表面を備え、ディスプレイレイヤ５４４から放射される光の振幅または強度、位相、偏光、パターン、方向などの１つ以上のパラメータを調整する。光変換レイヤの詳細は、２０１９年６月１８日に出願された本出願人の同時係属中の米国仮特許出願第６２／８６２，８５３号および２０２０年１月１５日に出願された同第６２／９６１，３１７号に記載されており、それぞれの内容は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。

デジタル電流推定
図２７および図２９に示される実施形態では、電流整形制御モジュール３１６は、ＨＦ電流センサであり、複数のパラメータを感知するために必要な感知回路（または「センサ」）を備える。例えば、電流整形制御モジュール３１６は、ＨＦ電流センサを使用してＨＦ電流ｉ_ｐを感知する。

電流センサは通常高価であり、制御モジュール３１６にノイズおよび遅延を取り込み得る。図２７および図２９に示される電流整形制御モジュール３１６内のＨＦ電流センサは、ハイブリッドエネルギー装置のコストを増加させ、その電力密度を低下させ、制御モジュール３１６の信頼性を低下させる。

図４２は、いくつかの実施形態における電流整形制御モジュール３１６を示している。これらの実施形態における電流整形制御モジュール３１６は、図２７に示されるものと同様である。しかしながら、これらの実施形態における電流整形制御モジュール３１６は、デジタルＨＦ電流推定器６０２を使用して、ＨＦ電流波形を推定し、それを図２７に示される閉ループ制御システムのフィードバックとして利用する。

具体的には、これらの実施形態の電流整形制御モジュール３１６は、入力および出力電圧（ｖ_ｏ、ｖ_Ｂａｔ、ｖ_ｐｖ）ならびにゲートパルス信号Ｑ_ｉ、ｐｖ、Ｑ_ｉ、ＥＳ、およびＱ_ｉ、ｏを受信して、ＨＦ電流波形を推定し、それによってあらゆる電流センサの使用を回避する。

窒化ガリウム（ＧａＮ）ゲートドライバ回路
先行技術のＧａＮゲートドライバは信頼性の問題を有することがあり、産業用途には適さないことがある。主な信頼性の問題のうちの１つは、ＧａＮデバイスの逆伝導メカニズムによる高い逆伝導電圧に起因している。いくつかの実施形態では、ＧａＮデバイスは、電力コンバータ１１６の回路モジュール２８４、２８６、および２８８における電力半導体（Ｑ_１、ＰＶおよびＱ_２、ＰＶ、Ｑ_１、ＥＳおよびＱ_２、ＥＳ、およびＱ_１、ｏおよびＱ_２、ｏ）として使用され得る。

ＧａＮゲートドライバ回路では、ハーフブリッジ構造においてブートストラップ技術を使用することが、ゲートバイアス（例えば、７Ｖの最大定格で５～６Ｖのバイアス）の良好な調整を必要するため、困難であり得る。図４３に示されるように、ローサイドフリーホイーリング中、スイッチノードの負電圧はブートストラップコンデンサを過充電し、ＧａＮのハイサイドゲート電圧は７Ｖの最大定格を超えることがある。その結果、ブートストラップ後にポストレギュレーションまたは電圧クランプが必要になることがある。

図４４は、多入力電子式電力コンバータ１１６で使用される、逆伝導時間を最小化したＧａｎゲートドライバ回路６１０を示している。図示されるように、ＧａＮゲートドライバ回路６１０は、充電または放電される２つのＧａＮゲートＱ１およびＱ２を備える。ＧａＮゲートドライバ回路６１０は、２つの制御スイッチＳ_１およびＳ_２、一対の結合インダクタＬ_１およびＬ_２、クランプコンデンサＣ_Ｂ、ならびにレベルシフタ６１２を使用して、シュートスルーを回避する。レベルシフタ６１２は、電圧源であり得る。しかしながら、これらの実施形態では、レベルシフタ６１２は、ツェナーダイオードＤ_ｚおよびコンデンサＣ_ｚを使用して実装されて、並列に結合かつ直列に抵抗器Ｒ_ｚに接続されている。

ＧａＮゲートドライバ回路６１０は、遷移時間における電源スイッチの迅速なターンオンとターンオフによるスイッチング損失の大幅な低減、ノイズ耐性、ゲートエネルギー回復による大幅なゲートドライバ損失の低減、ドライブスイッチのゼロ電圧スイッチング、構成要素の数の少なさ、およびその制御回路の単純さなどの様々な利点を有する。他の電流源ドライバ（ＣＳＤ）と比較して、ＧａＮゲートドライバ回路６１０は、ＧａＮ入力コンデンサの電圧レベルがゲートドライバ電源電圧よりも高く上昇するという大きな利点を有する。並列インダクタを変圧器の二次側に追加して、変圧器寄生コンデンサの影響を軽減し得る。

エンハンスメントモードのＧａＮトランジスタは、デバイスの最大ゲート電圧が特定の電圧レベル（例えば、７Ｖ）を超えると、デバイスに障害メカニズムが発生するという特性を有する。これは、デプレッションモードのＧａＮデバイスにも当てはまる。エンハンスメントモードのＧａＮデバイスは、最適な性能を達成するために、特定の電圧レベル（例えば、６Ｖ）に近いゲート電圧を必要とする。エンハンスメントモードのＧａＮデバイスは、それの対応するシリコン対応物とは異なり、特定の電圧（例えば、７Ｖ）を超えるとデバイス障害が発生する。ＧａＮのゲート－ソース間電圧が高くなると、ターンオン状態のドレイン－ソース間抵抗が低くなり、導通損失が大幅に減少することがある。一部の高周波用途では、ＧａＮデバイスのゲート－ソース間電圧を供給電圧よりも高くする能力を有するＣＳＤが望ましい。１つのブリッジレッグ内２つのＧａＮを駆動することができるＧａＮ用の既存のゲートドライバは、電源よりも高い電圧でゲートを駆動することはできない。ＧａＮゲートドライバ回路６１０の固有の特徴は、Ｒ_ｄｓ（ｏｎ）を低下させるゲート－ソース間電圧のブースト能力であり、したがって伝導損失である。

ＧａＮゲートドライバ回路６１０を用いると、デッドタイムとその結果としての逆伝導損失が最小限に抑えられる。実際、逆伝導損失の理由はデッドタイムである。シュートスルーを回避するために、ゲートドライバ信号の間にデッドタイムが挿入されてもよい。ゲートドライバ信号のクロスオーバーレベルがデバイスのしきい値電圧以下である限り、デッドタイムは排除され、シュートスルーも回避され得る。ゲート信号のクロスオーバーレベルは常にＶ_ＣＣの半分であり、これは通常しきい値電圧よりも大きいため、シュートスルー問題が発生することがある。ＧａＮゲートドライバ回路６１０では、レベルシフタ回路６１２は、上部スイッチまたは下部スイッチのいずれかのドライバループに挿入され得る。レベルシフト回路６１２に基づいて、クロスオーバーポイントは、図４５に示されるように、シュートスルー問題を回避するように調整され得る。加えて、レベルシフタバイアスによって生成される負の電圧は、ターンオフステータスの高い信頼性を確実にし、低いしきい値電圧による誤ったターンオンを回避する。これらの利点により、ＧａＮゲートドライバ回路６１０はハーフブリッジ構造のＧａＮデバイスに適したものになる。

ＨＦ動作用のソフトスイッチング
ソフトスイッチングは、スイッチング損失を著しく低減するために、高周波用途にとって重要である。例えば、いくつかの実施形態では、ハイブリッドエネルギーデバイス１０２の電子式電力コンバータ１１６は、メガヘルツ（ＭＨｚ）周波数範囲で動作し得る。したがって、ハードスイッチングは、性能を低下させ、複雑な熱管理を必要とする過度のスイッチング損失をもたらすことがある。

図２７に示される電力コンバータ１１６ＤＣは、ゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）を提供し、スイッチング損失を実質的に低減し得る。ただし、特定の条件下では、ＺＶＳが失われ、それによって性能が低下することがある。この問題は、高周波変圧器がいくらかの寄生容量を有し得るという事実に起因する。例えば、図４６は、様々な寄生容量Ｃ_ｐ１～Ｃ_ｐ３、およびＨＦ変圧器ＴのＣ_ｓ１～Ｃ_ｓ３を示している。これらの寄生容量は、一定の条件の下でＺＶＳ動作を歪める。

図４７は、図２７に示されるハイブリッドエネルギーデバイス１０２で使用され得るいくつかの実施形態におけるＤＣ電力コンバータ１１６ＤＣの回路図である。電力コンバータ１１６は、ＨＦ変圧器３２２の出力側に並列インダクタＬ_ｐを備えて、上記の寄生容量を効果的に補償し、ＤＣ電力コンバータ１１６ＤＣにソフトスイッチングを提供する。当業者には、同様の設計が図３６に示されるＡＣ電力コンバータ１１６ＡＣに適用され得ることが理解されよう。

熱電リサイクル
ハイブリッドエネルギーデバイス１０２のいくつかの構成要素は、熱を生成し得る。例えば、ソーラーパネル１１２およびパワーエレクトロニクス（例えば、電子式電力コンバータ１１６）は、ハイブリッドエネルギーデバイス１０２における主な熱源である。

いくつかの実施形態では、生成された熱は、熱電ユニット（「熱電発電機」（ＴＥＧ）とも呼ばれる）を使用することによって再利用され、電気に変換され得る。

図４８は、ソーラーパネル１１２または電子式電力コンバータ１１６などの熱源６２２に結合された熱電ユニット６２０を示す概略図である。熱電ユニット６２０は、熱源６２２から順に、ホットプレート６２４、熱電レイヤ６２６、およびコールドプレート６２８を備える。

ホットプレート６２４は、熱源６２２によって生成された熱を受け取るための金属材料などの好適な熱伝導性材料で作製されている。いくつかの実施形態では、ホットプレート６２４は、熱源６２２の基板であってもよい。いくつかの他の実施形態では、ホットプレート６２４は、熱伝導性接着剤、ねじ、ボルト、および／または同様のものなどの好適な手段を使用して、熱源６２２の基板に結合された別個のプレートであってもよい。コールドプレート６２８は、金属などの好適な材料で作製されている。

熱電レイヤ６２６は、二次元（２Ｄ）ペロブスカイトまたは他の好適な２Ｄ材料などの、低熱伝導性（または実質的に熱非伝導性または熱絶縁性）および高電子および正孔移動度（すなわち、電子および正孔搬送性）を有する好適な熱電材料を含み、ホットプレート６２４とコールドプレート６２８との間の温度勾配を電流に変換する。ここで、２Ｄ材料は、電子および正孔を効果的に搬送するが、熱伝達性能が低い材料である。これらの実施形態では、２Ｄ材料は、任意の好適な２Ｄ材料タイプであってもよく、ソーラーセルの活性レイヤで使用される２Ｄペロブスカイトと異なってもよい。３Ｄ材料は、電気および熱の両方を搬送し得、したがって、これらの実施形態では好ましくないことがある。

ホットプレート６２４、熱電レイヤ６２６、およびコールドプレート６２８は、良好な電子伝導性を有する。さらに、熱電レイヤ６２６は熱伝導率が低いため、したがって、ホットプレート６２４、熱電レイヤ６２６、およびコールドプレート６２８は、熱源６２２から熱を受け取り、受け取った熱をホットプレート６２４の近くに閉じ込めてそれを電気に変換するための構造を形成する。

図４９Ａおよび図４９Ｂに示されるように、これらの実施形態における熱電レイヤ６２６は、ホットプレート６２４とコールドプレート６２８との間に延在する２Ｄペロブスカイトサブレイヤなどの１つ以上の２Ｄ材料サブレイヤ６３２を備える。１つ以上の２Ｄ材料サブレイヤ６３２は、連続的な２Ｄ材料シート、または互いに離間したもしくはメンブレン６３４などの複数のスペーサもしくはフィラーによって分離された複数の２Ｄ材料シートセグメントもしくはカラムであり得る。例えば、一実施形態の熱電レイヤ６２６は、複数のメンブレンシートと交互配置された複数の２Ｄペロブスカイトシートで作製されていてもよい。別の実施形態では、熱電レイヤ６２６は、２Ｄペロブスカイトシートをメンブレンシートと積層し、積層されたシートを円筒に丸めて熱電レイヤ６２６を形成することによって作製され得る。

動作中、ホットプレート６２４は、熱源６２２から熱を受け取り、熱電ユニット６２０内に温度勾配を形成し、これが、電子６３６をコールドプレート６２８に向かって移動させ、それによって電流を生成する。

したがって、熱電ユニット６２０は、ソーラーエネルギー収集システム１００に有用な冗長性を提供し得、熱源６２２によって生成された熱エネルギーの一部を効果的に再利用し得る。

いくつかの実施形態では、ソーラーパネル１１２または電子式電力コンバータ１１６のうちの一方が、熱電ユニット６２０に結合されている。

いくつかの実施形態では、ソーラーパネル１１２または電子式電力コンバータ１１６のそれぞれは、熱電ユニット６２０に結合されている。

図５０は、熱電ユニットすなわちＴＥＧ６２０と一体化された、または他の方法で結合されたＰＶパネル１１２の例示的な実装を示している。この装置では、太陽放射の波長（通常は３００～８００ｎｍの範囲）がＰＶパネル１１２を通して吸収され、より長い波長が熱電ユニット６２０を通して吸収される。ＰＶパネル１１２およびＴＥＧ６２０を組み合わせることによって、それらの電力出力は、ＰＶパネル１１２単独の電力出力よりも大きい。さらに、ＴＥＧ６２０は、ＰＶパネル１１２の作動温度を低下させるヒートシンクとしても機能し、それにより、ＰＶパネル１１２の寿命が長くなる。

図５１Ａおよび図５１Ｂは、本開示のいくつかの実施形態による、光起電熱電ユニット６５０を示す概略図である。図示されるように、光起電熱電ユニット６５０は、光収集レイヤ６５２およびそれに結合されたＴＥＧ６２０を備える。ＴＥＧ６２０は、図４８～渦５０に示されるものと同様であり、光収集レイヤ６５２から順に、ホットプレート６２４、熱電レイヤ６２６、およびコールドプレート６２８を備える。

光収穫レイヤ６５２は、複数のメタ表面６５６（図４７Ｃに示されるような複数のナノカラムである）と混合された複数のソーラーセル６５４を有する第１のサブレイヤ、および第１のサブレイヤに結合された複数のナノワイヤ６５８を有する第２のサブレイヤを備える。

当業者が理解するように、ソーラーセル６５４は、特定の周波数スペクトルにおいてのみエネルギーを収集することができる。従来のソーラーパネルでは、未収集の光エネルギーは、通常、熱として浪費される。

これらの実施形態では、メタ表面６５６は、ソーラーセル６５４によって使用できない光スペクトルのエネルギーを利用して、ソーラーエネルギーの使用をさらに改善するように設計されている。具体的には、メタ表面６５６は、ソーラーセル６５４によって使用できないような特定の周波数を有する光を伝導するように設計され得る。メタ表面６５６を通して伝導されたこの光は、ナノワイヤ６５８によって熱に変換され、次いで、ＴＥＧ６２０によって電気に変換される。

図５１Ｄに示されるように、ナノワイヤ６５８は、ホットプレート６２４に埋め込まれ、変換された熱を熱電レイヤ６２６に直接伝達して電気に変換し得る。

図５２は、本開示のいくつかの実施形態による熱電ユニットすなわちＴＥＧ７００を示している。これらの実施形態では、ＴＥＧ７００は、上記のものと同様のホットプレート６２４およびコールドプレート６２８、ならびにホットプレート６２４とコールドプレート６２８との間に挟まれたナノチャネルレイヤ７０２を備える。ナノチャネルレイヤ７０２は、複数のナノチャネル７０４を並列に備える。ナノチャネルは、炭素（例えば、グラフェン）、金、および／または同様のものなどの好適な導電性材料で作製されており、１つ以上のサブ波長寸法を有する。例えば、いくつかの実施形態では、ナノチャネルレイヤ７０２は、約１０ｎｍなどのサブ波長厚さ（ホットプレート６２４とコールドプレート６２８との間の寸法）を有して、量子効果を顕著にし、電子を移動させることを可能にし得る（図４９Ｂを参照）。

これらの実施形態では、ナノチャネル７０４を使用して、ホットプレート側に熱を閉じ込め、電子７０６がそこを通って流れるためのチャネルを提供する。言い換えれば、ナノチャネルレイヤ７０２は導電性であり、電子７０６が流れることを可能にするが、一方で、熱伝達を妨げ、温度勾配を維持する。

いくつかの同様の実施形態では、ナノチャネルレイヤ７０２は、直列に、または並列と直列を混在して配列された複数のナノチャネル７０４を備え得る。図５３を参照されたい。

超コンデンサ技術
実際の太陽光条件は通常不安定であるため、ソーラーエネルギー収集システム１００におけるエネルギー貯蔵は重要である。ソーラーエネルギーの間欠性を考慮すると、エネルギー貯蔵ユニットは、ハイブリッドエネルギーデバイス１０２の不可欠な部分であり得る。

様々な方法を使用してエネルギーを貯蔵し得るが、その中でもバッテリおよび超コンデンサは、それらの優れた性能のために最も一般的な解決策である。例えば、いくつかの実施形態では、高密度リチウムイオン（ＬＩ）バッテリを使用してエネルギーを貯蔵し得る。

大きなサイズを有するＰＶパネル１１２が使用される実施形態など、いくつかの実施形態では、超コンデンサを使用してエネルギーを貯蔵し得る。

超コンデンサは、比較的新しいクラスのエネルギー貯蔵システムであり、高速の電力供給、および高い電流密度で数千回を超える充放電サイクルの寿命を有する。電気化学二重レイヤコンデンサ（ＥＤＬＣ）は、バッテリとは異なるメカニズムである物理吸着によって、アノードとカソードとの界面に反対の電荷を貯蔵する（エネルギー貯蔵は酸化還元反応によって生じる）。その結果、超コンデンサは、バッテリと比較して、より速いイオン交換速度およびより長い作動サイクルを提供することができる。超コンデンサは、ハイブリッド電気自動車および発電所などの高電力用途で使用するのに特に魅力的である。

図５４Ａおよび図５４Ｂは、超コンデンサ７４０の構造を示している。図示されるように、超コンデンサ７４０は、一対の導体または一対の電気端子７４４および７４６に結合された複数の積層コンデンサレイヤ７４２を備える。

各コンデンサレイヤ７４２は、間に電気絶縁性のメンブレンサブレイヤ７５４が挟まれて分離された一対の薄膜サブレイヤ７５２と、間に薄膜サブレイヤ７５２（およびメンブレンサブレイヤ７５４）を挟む一対の導体サブレイヤ７５６および７５８を備える。薄膜サブレイヤ７５２は、活性炭、グラフェン、グラファイト、および／または同様のものなどの混合物などの導電性薄膜材料で作製されている。メンブレンサブレイヤ７５４は、イオン性液体材料でコーティングされるか、またはメンブレンをイオン性液体に浸し、メンブレンを数分間吊るすことによって過剰な液体を除去することによってコーティングされる。

導体サブレイヤ７５６および７５８のそれぞれは、それぞれの端子７４４または７４６に電気的に接続されている。例えば、図５４Ａに示されるように、導体サブレイヤ７５６は、端子７４４に電気的に接続され、導体サブレイヤ７５８は、端子７４６に電気的に接続されている。

複数のコンデンサレイヤ７４２がともに積層される場合、隣接するコンデンサレイヤ７４２は、導体サブレイヤを共有してもよい。例えば、図５４Ａに示されるように、隣接するコンデンサレイヤ７４２－１および７４２－２は、事実上、コンデンサレイヤ７４２－１の導体サブレイヤ７５８－１およびコンデンサレイヤ７４２－２の導体サブレイヤ７５８－２である導体サブレイヤ７６２を共有する。同様に、隣接するコンデンサレイヤ７４２－２および７４２－３は、導体サブレイヤ７６４を共有し、隣接するコンデンサレイヤ７４２－３および７４２－４（図示せず）は、導体サブレイヤ７６６を共有する。

この構造により、超コンデンサ７４０は、広い面積で薄い厚さを有し得る。複数の超コンデンサ７４０を一体化して、ハイブリッドエネルギーデバイス１０２に必要とされる十分な貯蔵容量を提供し得る。超コンデンサ７４０には、いくつかの主要な利点がある。

例えば、薄膜材料を使用することにより、高エネルギー密度の超コンデンサ７４０の構築が容易になる。

超コンデンサ７４０は、高速の動的挙動を有し、すなわち、超コンデンサ７４０の充電および放電は、バッテリのものよりもはるかに高速であり得る。このような高速の動的挙動は、ソーラーエネルギーの不安定な性質に起因して、ソーラーエネルギー収集システム１００にとって重要である。

超コンデンサ７４０の別の利点は、その寿命である。バッテリとは異なり、超コンデンサ７４０には電気化学反応はない。したがって、超コンデンサ７４０の寿命は、性能の低下を最小限に抑えて何年にもわたって延長され得る。

超コンデンサ７４０のさらに別の利点は、その広い温度範囲であり、これにより、屋外用途に理想的になる。

以下に、対称型超コンデンサおよびそれらの製作プロセスについて記載される。超コンデンサは、１つ以上の超コンデンサセルを備え得、各超コンデンサセルは、メンブレン、電解質（すなわち、イオン液体）、カソード、アノード、および一対の集電体などのセパレータを備える。

いくつかの実施形態では、メンブレンはセルロース繊維であってもよい。いくつかの他の実施形態では、メンブレンは、高密度の細孔を有するポリマーメンブレン、および／またはＣｈａｒｌｏｔｔｅ，Ｎｏｒｔｈ Ｃａｒｏｌｉｎａ，Ｕｎｉｔｅｄ ＳｔａｔｅｓのＣｅｌｇａｒｄ ＬＬＣによって提供される好適なセパレータであってもよい。

電解質イオン液体は、空気および水に安定である１－エチル－３－メチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート（ＥＭＩＭＢＦ_４）であってもよく、これにより、極端な高温または低温で作動する超コンデンサの良好な候補となる。

カソードおよびアノードは、セパレータの表面にコーティングされた伝導性材料の薄膜を含み得る。

いくつかの実施形態では、キシレンまたは他の好適な溶媒に溶解された銀ナノ粒子を使用して、集電体を形成してもよい。いくつかの他の実施形態では、金属またはグラフェンベースのシートの薄い箔を集電体として使用してもよい。さらにいくつかの他の実施形態では、コーティングされた銀インクと薄いホイルの組み合わせを使用して、集電体を形成してもよい。

各超コンデンサセルは、イオン液体、伝導性インク、および集電体でコーティングされたメンブレンによって形成されてもよい。伝導性インクは、活性炭、グラフェン、バインダー、および揮発性溶媒を含んでもよい。いくつかの実施形態では、カソードおよびアノードの両方が同じ伝導性インクを使用して製作することができ、他の実施形態では、インク中の構成要素は電極に対して異なることができる。

超コンデンサセルは、スロットダイコーティング、スプレーコーティング印刷、およびドクターブレードの組み合わせなどの好適な印刷またはコーティング技術を使用して製作されてもよい。カソードおよびアノードの印刷に使用されるインクは、アセトンなどの揮発性溶媒に分散された活性炭、グラフェン、カーボンナノチューブ、および結合剤を含む。

図５５は、本開示のいくつかの実施形態による、超コンデンサ８００の構造を示している。これらの実施形態における超コンデンサ８００は、メンブレン８０６によって分離されたアノード８０２およびカソード８０４、ならびに、間にアノード８０２、メンブレン８０６、およびカソード８０４の組み合わせを挟む一対の集電体８０８および８１０を有する対称超コンデンサである。超コンデンサ８００はまた、アノード８０２とメンブレン８０６との間、およびカソード８０４とメンブレン８０６との間にイオン性液体（図示せず）を含む。

これらの実施形態では、アノード８０２、カソード８０４、ならびに集電体８０８および８１０は、好適な導電性材料でコーティングされたコーティングフィルムである。メンブレン８０６は、高い多孔度を有するセルロースまたはポリマーであってもよい。イオン性液体はＥＭＩＭＢＦ_４または同様の電解質であってもよい。カソードおよびアノードは、十分な導電性を備えた同様の材料で作製されている。

この構造により、超コンデンサ８００は可撓性超コンデンサである。

いくつかの実施形態では、超コンデンサ８００は、１つ以上の超コンデンサセル８００’によって形成されてもよく、各超コンデンサセル８００’は、図５５に示されるような構造を有する。

図５６は、スプレーコーティング技術を使用した超コンデンサセル８００’の製作プロセス８２０を示す概略図である。製作プロセス８２０は、超コンデンサセル８００’の大規模な製作に適している。

様々な実施形態において、スロットダイコーターまたはドクターブレード法を、印刷ツールとして使用してもよい。いくつかの実施形態では、スプレーコーティングされた集電体に加えて、金属またはＧＲＡＦＯＩＬ（登録商標）フレキシブルグラファイト（ＧＲＡＦＯＩＬは、Ｎｅｏｇｒａｆ Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ，ＬＬＣ、Ｌａｋｅｗｏｏｄ，Ｏｈｉｏ，ＵＳＡの登録商標である）の薄箔を使用して、セルの抵抗率を低減させ得る。金属の薄箔は、イオン液体および伝導性インク化合物の選択に応じて、アルミニウム、ニッケル、または他の材料であってもよい。いくつかの実施形態では、絶縁体および封止材としてＰＭＭＡを使用してもよい。

これらの実施形態では、インク化合物は、安定剤および揮発性溶媒と混合された高濃度の活性炭およびグラフェンを有し、製作プロセス８２０を容易にする。いくつかの実施形態では、インクは、活性炭およびグラフェンと混合されたカーボンナノチューブまたは炭素繊維で作製されてもよい。いくつかの実施形態では、超コンデンサセル８００’は、異なるカソードおよびアノード材料またはインク中の異なる濃度の化合物を使用して製作されてもよい。

図５６に示されるように、インク調製段階８２２において、伝導性インクは、ボールミル８４２を使用して処理され、活性炭、グラフェン、結合剤、および好適な媒体などの材料８４４を微細サイズの粒子に粉砕する。すべての粉末と溶剤をこのステップでボールミルに加え、数時間混合させる。次いで、処理されたインクは濾過され、印刷ステーション（図示せず）に移送される。

コーティング段階８２４において、２つのスプレーコーター８４６を使用して、イオン液体、伝導性インク、および集電体の溶液８４８をメンブレン８０６の反対側に順次塗布し、好適なアニーリング手順により、揮発性溶媒を除去する。

封入段階８２６において、２つのスプレーコーター８５６を使用して、ＰＭＭＡ絶縁体８５８の薄レイヤを超コンデンサセル８００’に塗布し、積層超コンデンサセルの短絡を防止する。パッケージング段階８２８において、超コンデンサセル８００’は、最終的な封入およびパッケージングのために真空チャンバに移送され、超コンデンサ８００を作製する。

図５７は、電気絶縁のために隣接する超コンデンサセル８００’の各対の間に挟まれたＰＭＭＡ絶縁体などの好適な絶縁体８７２と複数の超コンデンサセル８００’を積層することによって形成された超コンデンサ８００を示している。これらの実施形態では、超コンデンサセル８００’は、直列または並列に積層されてもよい。ＰＭＭＡ絶縁体は、超コンデンサセル８００’にコーティングされてもよい。

この構造により、ＰＭＭＡは、空気および水分が超コンデンサセル８００’に侵入するのを防止する良好な封入材料であるため、超コンデンサ８００は、各セル８００’の寿命を延ばし得る。

実施形態が添付の図面を参照して記載されてきたが、当業者には、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲から逸脱することなく、変形および修正を行うことができることが理解されよう。

Claims (29)

1. 電力回路であって、
   光起電（ＰＶ）源に結合するための第１の入力回路と、
   エネルギー貯蔵源に結合するための第２の入力回路と、
   前記第１の入力回路および前記第２の入力回路に結合され、前記第１の回路および前記第２の回路のうちの少なくとも一方から受け取った電気エネルギーを処理および出力するための第３の回路と、
   前記第１の回路、前記第２の回路、および前記第３の回路に結合され、前記ＰＶ源および前記エネルギー貯蔵源の出力電圧、前記第３の回路に結合した前記第１の入力回路および前記第２の入力回路の出力、ならびに第３の回路の出力電圧に基づいてそれらの回路間の電力の流れを制御することによって前記第３の回路の前記出力を最適化するための制御回路と、を備える、電力回路。
2. 前記第３の回路が、変圧器を介して前記第１の入力回路および前記第２の入力回路に結合されており、前記第１の入力回路および前記第２の入力回路が前記変圧器の入力側にあり、前記第３の回路が前記変圧器の出力側にある、請求項１に記載の電力回路。
3. 前記第１の回路、前記第２の回路、および前記第３の回路のそれぞれが、電力変換のための１つ以上の半導体を備える、請求項１または２に記載の電力回路。
4. 前記制御回路が、前記ＰＶ源および前記エネルギー貯蔵源の前記出力電圧、前記第３の回路に結合した前記第１の入力回路および前記第２の入力回路の前記出力、ならびに前記第３の回路の前記出力電圧に基づいて前記第１の回路、前記第２の回路、および前記第３の回路の前記半導体のゲート端子に印加されるゲート信号を調整することによって前記第３の回路の前記出力を最適化するように構成されている、請求項３に記載の電力回路。
5. 前記第１の入力回路および前記第２の入力回路の前記出力が、前記第１の入力回路および前記第２の入力回路の出力電流であり、
   前記電力回路が、前記第１の入力回路および前記第２の入力回路の前記出力電流を感知するための１つ以上の電流センサをさらに備える、請求項１～４のいずれか一項に記載の電力回路。
6. 前記制御回路が、前記ＰＶ源および前記エネルギー貯蔵源の出力電流のうちの少なくとも一方、ならびに前記第３の回路の入力電流にさらに基づいて前記第３の回路の前記出力を最適化するように構成されている、請求項１～５のいずれか一項に記載の電力回路。
7. 前記第３の回路の前記出力が、直流（ＤＣ）出力であり、
   前記電力回路が、前記第３の回路の前記ＤＣ出力を交流（ＡＣ）出力に変換するために前記第３の回路に結合されたＤＣ－ＡＣインバータ回路をさらに備え、
   前記制御回路が、前記ＰＶ源および前記エネルギー貯蔵源の前記出力電圧、前記第３の回路に結合した前記第１の入力回路および前記第２の入力回路の前記出力電流、前記第３の回路の前記出力電圧、前記ＤＣ－ＡＣインバータ回路の前記出力電圧、ならびに前記ＤＣ－ＡＣインバータ回路の出力電流に基づいて前記ＤＣ－ＡＣインバータ回路の前記出力を最適化するように構成されている、請求項１～６のいずれか一項に記載の電力回路。
8. 前記第１の入力回路および前記第２の入力回路の前記出力が、前記第１の入力回路および前記第２の入力回路の出力電圧であり、
   前記電力回路が、前記ＰＶ源、前記エネルギー貯蔵源、および前記第３の回路の前記出力電圧、ならびに前記第１の回路、前記第２の回路、および前記第３の回路の前記半導体の前記ゲート信号に基づいて前記第１の入力回路および前記第２の入力回路の前記出力電流を推定するための１つ以上の電流推定器をさらに備える、請求項４に記載の電力回路。
9. 前記第１の回路、前記第２の回路、および前記第３の回路のうちの少なくとも１つの前記１つ以上の半導体が、窒化ガリウム（ＧａＮ）ゲートであり、
   前記電力回路が、前記ＧａＮゲートがシュートスルーするのを防止するためのＧａＮゲートドライバ回路をさらに備え、前記ＧａＮゲートドライバ回路が、レベルシフタ回路を備える、請求項３に記載の電力回路、または請求項３に従属する請求項４～８のいずれか一項に記載の電力回路。
10. 前記レベルシフタ回路が、ツェナーダイオード、および並列に結合されかつ抵抗器に直列に接続されたコンデンサを備える、請求項９に記載の電力回路。
11. 前記第３の回路が、寄生容量を補償するために前記変圧器の前記出力側に並列インダクタを備える、請求項２に記載の電力回路、または請求項２に従属する請求項３～１０のいずれか一項に記載の電力回路。
12. エネルギー装置であって、
    透明または半透明の基板と、
    前記基板に結合されたソーラーセルレイヤであって、前記ソーラーセルレイヤが、前記基板を通して光を受け取り、前記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ソーラーセルを備える、ソーラーセルレイヤと、
    前記ソーラーセルレイヤに結合されたエネルギー貯蔵レイヤであって、前記エネルギー貯蔵レイヤが、第２の電気エネルギーを貯蔵するための１つ以上のエネルギー貯蔵ユニットを備える、エネルギー貯蔵レイヤと、
    前記ソーラーセルレイヤおよび前記エネルギー貯蔵レイヤに結合され、それらから電気エネルギー受け取り、処理し、前記処理されたエネルギーを出力を介して出力するためのコンバータレイヤと、を備え、
    前記コンバータレイヤが、請求項１～１１のいずれか一項に記載の電力回路を備え、前記ソーラーセルレイヤおよび前記エネルギー貯蔵レイヤをそれぞれ前記ＰＶ源および前記エネルギー貯蔵源として使用する、エネルギー装置。
13. 熱電リサイクル構造であって、
    熱源と係合し、前記熱源から生成された熱を受け取るための熱伝導性の第１の構成要素と、
    前記第１の構成要素から離間された第２の構成要素と、
    前記第１の構成要素と前記第２の構成要素との間に挟まれ、前記第１の構成要素から前記熱を受け取り、前記受け取った熱を電力に変換するための熱非伝導性電子正孔搬送性熱電レイヤと、を備える、熱電リサイクル構造。
14. 前記第１の構成要素のものに結合された光収集レイヤであって、前記光収集レイヤを通して前記第１の構成要素を前記熱源と係合させるための前記熱電レイヤの反対側、前記光収集レイヤが、
    光を収集するためのメタ表面と、
    前記メタ表面に結合され、前記収集された光を変換された熱に変換し、前記変換された熱を前記熱電レイヤに伝達するためのナノワイヤレイヤと、を備える、光収集レイヤ、をさらに備える、請求項１３に記載の熱電リサイクル構造。
15. 前記熱電レイヤが、１つ以上の二次元（２Ｄ）材料で作製された１つ以上の熱電構成要素を備える、請求項１３または１４に記載の熱電リサイクル構造。
16. 前記１つ以上の２Ｄ材料が、２Ｄペロブスカイトを含む、請求項１５に記載の熱電リサイクル構造。
17. 前記１つ以上の熱電構成要素が、前記１つ以上の２Ｄ材料で作製された連続熱電シートを備える、請求項１５または１６に記載の熱電リサイクル構造。
18. 前記熱電レイヤが、互いに分離された複数の熱電構成要素を備える、請求項１５または１６に記載の熱電リサイクル構造。
19. 前記熱電レイヤが、それらの１つ以上のサブ波長寸法を有する複数の導電性ナノチャネルを備える、請求項１３または１４に記載の熱電リサイクル構造。
20. 前記熱電レイヤが、約１０ナノメートル（ｎｍ）の厚さを有する、請求項１９に記載の熱電リサイクル構造。
21. エネルギー装置であって、
    透明または半透明の基板と、
    前記基板に結合されたソーラーセルレイヤであって、前記ソーラーセルレイヤが、前記基板を通して光を受け取り、前記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ソーラーセルを備える、ソーラーセルレイヤと、
    前記ソーラーセルレイヤに結合されたエネルギー貯蔵レイヤであって、前記エネルギー貯蔵レイヤが、第２の電気エネルギーを貯蔵するための１つ以上のエネルギー貯蔵ユニットを備える、エネルギー貯蔵レイヤと、
    前記ソーラーセルレイヤおよび前記エネルギー貯蔵レイヤに結合され、それらから電気エネルギーを受け取り、処理し、前記処理されたエネルギーを出力を介して出力するためのコンバータレイヤと、
    前記ソーラーセルレイヤおよびそれから生成された前記熱を受け取るための前記コンバータレイヤのうちの少なくとも一方に結合された、請求項１３～２０に記載の熱電リサイクル構造のうちの少なくとも１つと、を備える、エネルギー装置。
22. 超コンデンサであって、
    １つ以上のコンデンサレイヤと、
    第１の電気端子および第２の電気端子と、を備え、
    各コンデンサレイヤが、
    電気絶縁メンブレンサブレイヤを挟む一対の導電性薄膜サブレイヤと、
    前記薄膜サブレイヤの各々と前記メンブレンサブレイヤとの間の導電性媒体と、
    前記一対の薄膜サブレイヤおよび前記メンブレンサブレイヤを挟む第１の導体サブレイヤおよび第２の導体サブレイヤであって、前記第１の導体サブレイヤが前記第１の電気端子に結合され、前記第２の導体サブレイヤが前記第２の電気端子に結合されている、第１の導体サブレイヤおよび第２の導体サブレイヤと、を備える、超コンデンサ。
23. 前記薄膜サブレイヤが、活性炭素、グラフェン、およびグラファイトのうちの少なくとも１つを含む、請求項２２に記載の超コンデンサ。
24. 前記導電性媒体が、イオン性液体、導電性インク、および集電体のうちの少なくとも１つを含む、請求項２２または２３に記載の超コンデンサ。
25. 前記導電性媒体が前記メンブレンサブレイヤ上にコーティングされている、請求項２２または２３に記載の超コンデンサ。
26. 前記イオン性液体が、１－エチル－３－メチルイミダゾリウムテトラフルオロボレート（ＥＭＩＭＢＦ_４）を含む、請求項２５に記載の超コンデンサ。
27. 前記導電性薄膜サブレイヤ、前記メンブレンサブレイヤ、ならびに前記第１の導体サブレイヤおよび前記第２の導体サブレイヤが、可撓性である、請求項２２～２６のいずれか一項に記載の超コンデンサ。
28. 前記導電性薄膜サブレイヤ、ならびに前記第１の導体サブレイヤおよび前記第２の導体サブレイヤが、スロットダイコーティング、スプレーコーティング印刷、およびドクターブレードのうちの少なくとも１つを使用して前記メンブレンサブレイヤにコーティングされている、請求項２２～２７のいずれか一項に記載の超コンデンサ。
29. エネルギー装置であって、
    透明または半透明の基板と、
    前記基板に結合されたソーラーセルレイヤであって、前記ソーラーセルレイヤが、前記基板を通して光を受け取り、前記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ソーラーセルを備える、ソーラーセルレイヤと、
    前記ソーラーセルレイヤに結合されたエネルギー貯蔵レイヤであって、前記エネルギー貯蔵レイヤが、第２の電気エネルギーを貯蔵するための１つ以上のエネルギー貯蔵ユニットを備える、エネルギー貯蔵レイヤと、
    前記ソーラーセルレイヤおよび前記エネルギー貯蔵レイヤに結合され、それらから電気エネルギー受け取り、処理し、前記処理されたエネルギーを出力を介して出力するためのコンバータレイヤと、を備え、
    前記エネルギー貯蔵レイヤが、請求項２２～２８のいずれか一項に記載の１つ以上の超コンデンサを備える、エネルギー装置。
    

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