JP5912316B2 - 電気二重層キャパシタ、又は太陽光発電装置 - Google Patents
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Description
開示される発明の一態様は、電気二重層キャパシタ、電気二重層キャパシタの作製方法、及び太陽光発電装置に関する。
太陽エネルギーには、現存のエネルギー源に比べて数々の有利な点がある。例えば、太陽エネルギーは事実上無限であり、世界中で利用が可能である。
このような太陽エネルギーは、様々な分野で有効に利用されている。例えば、ビルや自動車では、日光が照射される部分に太陽電池を設置し、設置された太陽電池により太陽エネルギーを電気に変換する。このようにして得られた電気を、ビルの照明や自動車の動力源の一部として利用することができる。
太陽エネルギーは日光が照射される昼間に得られるが、上記のようにして得られた電気を蓄積すれば、日光が照射されない夜間や雨天時にも利用することが可能である。従ってこれを利用することができれば、貴重な自然資源の減少や破壊を招かないエネルギー源となる（特許文献１参照）。
太陽電池により変換された電気を蓄積する蓄電装置（蓄電デバイスともいう）として、二次電池や電気化学キャパシタ等が挙げられる。
電気化学キャパシタとして、リチウムイオンキャパシタ（特許文献２参照）のようなハイブリッドキャパシタ、電気二重層キャパシタ（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｄｏｕｂｌｅ Ｌａｙｅｒ Ｃａｐａｃｉｔｏｒ：ＥＤＬＣ）（特許文献３及び特許文献４参照）等が開発されてきている。
太陽電池は光を吸収して発電するものであり、少なくとも可視光は半導体層で吸収されるように構成されているので不透明である。もっとも、特許文献１で開示される太陽電池のように、半導体層を透光性電極で挟んだ構造とすれば透光性を持たせることができる。しかし、この場合でも半導体層で可視光の大部分は吸収されてしまい、また特定の波長帯域（半導体のバンドギャップエネルギー以下の波長の光）の光しか透過しないという特性を有している。
しかしながら、特許文献３に示されるような従来の電気二重層キャパシタは、集電体や活物質が非透光性の材料で構成されている。つまり、従来の電気二重層キャパシタは非透光性の蓄電装置であると言える。
すなわち、二次電池や電気化学キャパシタ等は、充電容量や充放電のサイクル特性の他、薄型化や小型化ばかりが注目され、透光性が問題とされることはなかった。このため、従来の二次電池や電気化学キャパシタ等は光を遮断するため、太陽電池と組み合わせて多機能化を図ることが困難であった。
以上を鑑みて、開示される発明の一態様では、充放電機能を確保しつつ、透光性を有する電気二重層キャパシタを提供することを課題の一とする。
また開示される発明の一様態では、太陽電池と蓄電装置の占める面積を抑制することを課題の一とする。
開示される発明の一様態において、透光性を有する蓄電装置を提供する。
また開示される発明の一様態において、透光性を有する太陽電池及び蓄電装置を重畳させた太陽光発電装置を提供する。
透光性を有する太陽電池及び蓄電装置を重畳させることにより、太陽電池と蓄電装置の占める面積を抑制することが可能である。
開示される発明の一様態は、透光性を有する導電材料からなる一対の集電体と、当該一対の集電体上に分散された活物質と、当該一対の集電体の間に設けられ、透光性を有する電解質層とを有することを特徴とする電気二重層キャパシタに関する。
開示される発明の一様態は、透光性を有する導電材料からなる一対の集電体と、当該一対の集電体上に分散された活物質と、当該一対の集電体の間に設けられ、透光性を有する電解質層と、当該一対の集電体のそれぞれと電気的に接続された端子部を有する電気二重層キャパシタを有する。さらに開示される発明の一様態は、透光性を有する基板上に、透光性を有する第１の導電膜、当該第１の導電膜に接して設けられた光電変換層、当該光電変換層に接して設けられ、透光性を有する第２の導電膜を有する太陽電池とを有する。当該開示される発明の一様態は、当該電気二重層キャパシタ及び太陽電池は、当該端子部、当該第１の導電膜及び当該第２の導電膜を介して電気的に接続されていることを特徴とする太陽光発電装置に関する。
開示される発明の一様態において、当該透光性を有する導電材料、並びに、当該透光性を有する第１の導電膜及び第２の導電膜の材料は、それぞれ、水分散性ポリエステル、インジウム錫酸化物、酸化珪素を含むインジウム錫酸化物、有機インジウム、有機スズ、酸化亜鉛、酸化亜鉛を含むインジウム亜鉛酸化物、ガリウムをドープした酸化亜鉛、酸化スズ、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物のいずれか一であることを特徴とする太陽光発電装置に関する。
開示される発明の一様態において、当該活物質は、活性炭又はポリアセン系材料であることを特徴とする。
開示される発明の一様態において、当該電解質層は、ポリエチレンオキシド又はポリプロピレンオキシドであることを特徴とする。
開示される発明の一様態において、当該光電変換層は、非晶質半導体層、多結晶半導体層、微結晶半導体層のいずれかであることを特徴とする。
開示される発明の一様態において、当該光電変換層は、ｐ型半導体層、真性半導体層、及びｎ型半導体層を有することを特徴とする。
開示される発明の一様態により、充放電機能を確保しつつ、透光性を有する電気二重キャパシタを提供することができる。
開示される発明の一様態により、太陽電池と蓄電装置の占める面積を抑制することができる。
以下、本明細書に開示された発明の実施の態様について、図面を参照して説明する。但し、本明細書に開示された発明は多くの異なる態様で実施することが可能であり、本明細書に開示された発明の趣旨及びその範囲から逸脱することなくその形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、以下に示す図面において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。
［実施の形態１］
本実施の形態の電気二重層キャパシタを図１に示す。図１に示す電気二重層キャパシタ１００は、一対の集電体１０１、当該一対の集電体１０１の間に配置された電解質層１０３、当該一対の集電体１０１それぞれに分散して配置された活物質１０２を有する。なお本実施の形態では、集電体１０１及び活物質１０２を総じて電極と呼ぶこととする。
当該一対の集電体１０１のそれぞれは、透光性を有する導電材料で形成されている。このような透光性を有する導電材料として、例えば、水分散性ポリエステル、インジウム錫酸化物（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ：ＩＴＯ）、酸化珪素を含むインジウム錫酸化物（ＩＴＳＯ）、有機インジウム、有機スズ、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化亜鉛を含むインジウム亜鉛酸化物（ＩＺＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｚｉｎｃ Ｏｘｉｄｅ））、ガリウム（Ｇａ）をドープした酸化亜鉛、酸化スズ（ＳｎＯ２）、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物等が好適である。
活物質１０２として、比表面積が大きい活性炭やポリアセン系材料を用いる。負極活物質に限り、これらに追加し黒鉛を用いることができる。負極の活物質１０２として、ポリアセン系材料や黒鉛を用いた場合、あらかじめリチウムをプレドープし、電気二重層キャパシタ１００をリチウムイオンキャパシタとすることもできる。活物質１０２は、一対の集電体１０１それぞれの表面に、集電体１０１が透光性を失わない程度に分散して配置する。
電解質層１０３は、ポリエチレンオキシド（ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｏｘｉｄｅ、略称ＰＥＯ）やポリプロピレンオキシド（ｐｏｌｙｐｒｏｐｙｌｅｎｅ ｏｘｉｄｅ、略称ＰＰＯ）に代表される、透光性を有するポリマーを用いて形成する。
一対の集電体１０１それぞれには、端子部１０６が接続されている。端子部１０６は、集電体１０１と同様に透光性を有する導電材料で形成してもよいし、非透光性の導電材料を用いて形成してもよい。端子部１０６は、それぞれ一部が外装部材１０５の外側に導出されている。
集電体１０１、活物質１０２、及び電解質層１０３は、透光性を有する外装部材１０５の内部に設けられている。当該透光性を有する外装部材１０５として、透光性を有するラミネートフィルム、透光性を有する高分子フィルム、透光性を有するプラスチックケース等を用いることができる。
以上説明した電気二重層キャパシタ１００は、透光性を有する集電体１０１、集電体１０１が透光性を失わない程度に分散して配置された活物質１０２、透光性を有するポリマーで形成される電解質層１０３、及び透光性を有する外装部材１０５を有している。以上により、透光性を有する電気二重層キャパシタ１００を得ることができる。
本実施の形態の電気二重層キャパシタ１００の作製方法について、以下に説明する。
まず集電体１０１を用意する（図２（Ａ）参照）。次いで、集電体１０１上に、集電体１０１が透光性を失わない程度に分散して、活物質１０２を配置する（図２（Ｂ）参照）。
活物質１０２を分散して配置した集電体１０１を、活物質１０２が配置された表面を対向させ、対向させた表面の間に電解質層１０３を配置する（図２（Ｃ）参照）。
次いで、集電体１０１に端子部１０６を電気的に接続する。端子部１０６が接続された集電体１０１、活物質１０２、及び電解質層１０３を、透光性を有する外装部材１０５の内部に設置する。このとき、端子部１０６の一部が外装部材１０５の外側に導出されるように、端子部１０６を設置する。以上のようにして、透光性を有する電気二重層キャパシタ１００を形成する（図１参照）。
図３に、透光性を有する太陽電池、及び、透光性を有する電気二重層キャパシタ１００を重畳させた太陽光発電装置の例を示す。
図３に示される太陽電池２００は、透光性を有する基板２０１上に、透光性を有する導電膜２１０、透光性を有する導電膜に接して設けられた光電変換層２１１、光電変換層２１１に接して設けられ、透光性を有する導電膜２１２を有している。
透光性を有する基板２０１として、例えば、青板ガラス、白板ガラス、鉛ガラス、強化ガラス、セラミックガラスなどのガラス板を用いることができる。また、アルミノシリケート酸ガラス、バリウムホウケイ酸ガラス、アルミノホウケイ酸ガラスなどの無アルカリガラス基板、石英基板、セラミック基板を用いることができる。
透光性を有する基板２０１として、可撓性を有する合成樹脂からなる基板（例えば、プラスチック基板）を用いる場合は、上記基板と比較して耐熱温度が一般的に低い傾向にあるが、作製工程における処理温度に耐え得るのであれば用いることが可能である。
プラスチック基板として、ポリエステル、ポリエーテルスルホン（ＰＥＳ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリアミド系合成繊維、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、ポリスルホン（ＰＳＦ）、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）、ポリアリレート（ＰＡＲ）、ポリブチレンテレフタレート（ＰＢＴ）、ポリイミド、アクリロニトリルブタジエンスチレン樹脂、ポリ塩化ビニル、ポリプロピレン、ポリ酢酸ビニル、アクリル樹脂などが挙げられる。ポリエステルとして、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）が挙げられる。
透光性を有する導電膜２１０及び導電膜２１２の材料として、上述した透光性を有する導電材料を用いればよい。
光電変換層２１１は、ｐ型半導体層、真性半導体層、及びｎ型半導体層、又は、ｎ型半導体層、真性半導体層、及びｐ型半導体層が順に積層された積層膜である。ｐ型半導体層、真性半導体層、ｎ型半導体層は、非晶質半導体層、多結晶半導体層、微結晶半導体層などを用いて形成することができる。本実施の形態では、光電変換層２１１として、ｐ型半導体層２１３、真性半導体層２１４、及びｎ型半導体層２１５を積層した積層膜を用いる。
導電膜２１２と１つの光電変換層２１１は、ｎ型半導体層２１５側において電気的に接続されている。かつ、導電膜２１０と当該１つの光電変換層２１１は、ｐ型半導体層２１３側において電気的に接続されている。導電膜２１０は、当該１つの光電変換層２１１とは異なる光電変換層２１１上の導電膜２１２と、電気的に接続されている。これにより、各セルが異なるセルと電気的に接続される。各セルが異なるセルと直列に接続されていると、出力電圧を上昇させることが可能である。
太陽電池２００の１つの端部のセルの導電膜２１２は、電気二重層キャパシタ１００の端子部１０６の一方と電気的に接続されており、太陽電池２００の別の端部のセルの導電膜２１２は、電気二重層キャパシタ１００の端子部１０６の他方と電気的に接続されている。ただし、端子部１０６が非透光性を有する材料で形成されている場合は、太陽電池２００及び電気二重層キャパシタ１００の透光性を阻害しないように、端子部１０６を配置する。
なお図３では太陽電池２００と電気二重層キャパシタ１００が対向している側に、導電膜２１２が配置されているので、導電膜２１２及び端子部１０６を電気的に接続している。しかしながら、太陽電池２００の１つの端部のセルの導電膜２１０と電気二重層キャパシタ１００の端子部１０６の一方、及び、太陽電池２００の別の端部のセルの導電膜２１０と電気二重層キャパシタ１００の端子部１０６の他方を電気的に接続させてもよい。
つまり、太陽電池２００の正極と負極が、それぞれ電気二重層キャパシタ１００の電極に電気的に接続されていればよい。これにより、太陽電池２００により発電された電気は、導電膜２１０、導電膜２１２及び端子部１０６を介して、電気二重層キャパシタ１００に蓄えられる。
電気二重層キャパシタ１００の外装部材１０５及び端子部１０６、並びに太陽電池２００の導電膜２１２及び光電変換層２１１との間には、透光性を有する接着剤１０９が充填されている。透光性を有する接着剤１０９により、電気二重層キャパシタ１００及び太陽電池２００は接着される。
以上のようにして、透光性を有する電気二重層キャパシタ１００及び太陽電池２００を重畳させた太陽光発電装置３００を得ることができる。太陽電池２００及び電気二重層キャパシタ１００が透光性を有しているので、太陽光発電装置３００も透光性を有する。透光性を有する電気二重層キャパシタ１００及び太陽電池２００を重畳させることにより、電気二重層キャパシタ１００及び太陽電池２００の占める面積を抑制することが可能である。
なお図３では１つの電気二重層キャパシタ１００及び１つの太陽電池２００を上下に重畳した太陽光発電装置３００について説明しているが、可能であれば、電気二重層キャパシタ１００及び太陽電池２００を、それぞれ複数個上下に重畳して形成してもよい。これにより、太陽光をより効率的に利用することができ、発電量及び蓄電量の増加が見込まれる。
図４（Ａ）〜図４（Ｃ）に、透光性を有する太陽光発電装置３００を、電気自動車の窓に設置した例を示す。
図４（Ａ）は電気自動車３０１の斜視図である。図４（Ａ）に示す電気自動車３０１では、サイドウィンドウ３０２に透光性を有する太陽光発電装置３００が設置されている。
図４（Ｂ）は電気自動車３０１の別の斜視図である。図４（Ｂ）に示す電気自動車３０１では、リアウィンドウ３０３に透光性を有する太陽光発電装置３００が設置されている。
図４（Ｃ）は電気自動車３０１の別の斜視図である。図４（Ｃ）に示す電気自動車３０１では、サイドウィンドウ３０２及びリアウィンドウ３０３に透光性を有する太陽光発電装置３００が設置されている。
図４（Ａ）〜図４（Ｃ）に示されるように、透光性を有する太陽光発電装置３００は、電気自動車３０１のサイドウィンドウ３０２、又はリアウィンドウ３０３、或いはその両方に設置可能である。
太陽光発電装置３００で発電及び蓄電された電気は、電気自動車３０１の動力、或いはライトの電源等に用いることができる。
図５に、透光性を有する太陽光発電装置３００を、自動ドアの扉に設置した例を示す。
図５は自動ドア３０４の正面図である。図５の自動ドア３０４では、扉３０５に透光性を有する太陽光発電装置３００が設置されている。
太陽光発電装置３００で発電及び蓄電された電気は、自動ドア３０４の動力等に用いることができる。
図６に、透光性を有する太陽光発電装置３００を、ビルの窓に設置した例を示す。
図６はビル３０６の斜視図である。図６に示すビル３０６では、窓３０７に透光性を有する太陽光発電装置３００が設置されている。
太陽光発電装置３００で発電及び蓄電された電気は、ビル３０６の内部に設けられた様々な装置の動力、或いはビル３０６の内部や外部に設置された照明の電源等に用いることができる。
以上本実施の形態により、透光性を有する電気二重層キャパシタ１００を提供することができる。
また本実施の形態により、透光性を有する太陽電池２００及び電気二重層キャパシタ１００を重畳させた太陽光発電装置３００を提供することができる。
透光性を有する太陽電池２００及び電気二重層キャパシタ１００を重畳させることにより、太陽電池２００及び電気二重層キャパシタ１００の占める面積を抑制することが可能である。
１００ 電気二重層キャパシタ
１０１ 集電体
１０２ 活物質
１０３ 電解質層
１０５ 外装部材
１０６ 端子部
１０９ 接着剤
２００ 太陽電池
２０１ 基板
２１０ 導電膜
２１１ 光電変換層
２１２ 導電膜
２１３ ｐ型半導体層
２１４ 真性半導体層
２１５ ｎ型半導体層
３００ 装置
３０１ 電気自動車
３０２ サイドウィンドウ
３０３ リアウィンドウ
３０４ 自動ドア
３０５ 扉
３０６ ビル
３０７ 窓
１０１ 集電体
１０２ 活物質
１０３ 電解質層
１０５ 外装部材
１０６ 端子部
１０９ 接着剤
２００ 太陽電池
２０１ 基板
２１０ 導電膜
２１１ 光電変換層
２１２ 導電膜
２１３ ｐ型半導体層
２１４ 真性半導体層
２１５ ｎ型半導体層
３００ 装置
３０１ 電気自動車
３０２ サイドウィンドウ
３０３ リアウィンドウ
３０４ 自動ドア
３０５ 扉
３０６ ビル
３０７ 窓
Claims (2)
- 電気二重層キャパシタと、
前記電気二重層キャパシタと電気的に接続する太陽電池と、を有し、
前記電気二重層キャパシタと前記太陽電池とは重畳し、
前記電気二重層キャパシタは、
透光性を有する導電材料からなり、互いに対向する一対の集電体と、
前記一対の集電体の互いに対向する面上に分散された活物質と、
前記一対の集電体の間に設けられ、透光性を有する電解質層と、
前記一対の集電体、前記活物質、及び前記電解質層を内部に包含する、透光性を有する外装部材と、
前記外装部材の外側に導出される端子部と、を有し、
前記活物質は、前記一対の集電体が透光性を失わないように、前記面上に分散され、
前記太陽電池は、
透光性を有する基板上の透光性を有する第１の導電膜と、
前記第１の導電膜上に接し、積層した半導体層を有する光電変換層と、
前記光電変換層上に接する、透光性を有する第２の導電膜と、を有し、
前記二重層キャパシタと前記太陽電池との間には、前記第２の導電膜上面及び側面と前記外装部材とに接する透光性を有する接着剤が充填され、
前記端子部は、前記第２の導電膜と電気的に接続されることを特徴とする太陽光発電装置。 - 請求項１において、
前記電気二重層キャパシタと前記太陽電池との第１の重畳に、もう一つの前記電気二重層キャパシタと前記太陽電池との第２の重畳が、重なることを特徴とする太陽光発電装置。
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