JP6707712B2 - 発電装置および発電モジュール - Google Patents

Description

本発明は、発電装置および発電モジュールに関し、特に、運動エネルギーおよび光エネルギーを電力に変換する発電装置およびそのような発電装置を備えた発電モジュールに関する。

従来から、周辺環境から得られる複数種のエネルギーを電気エネルギーに変換することができる発電装置が知られている。これらの発電装置の中で、いずれかのエネルギー源の供給が絶たれてしまった場合でも、複数種のエネルギーのいずれかによる蓄電を行うことができるものも知られている（たとえば、特許文献１〜２参照）。

また、光電変換素子の特性改善のために電極周辺部や側面に正もしくは負の表面電荷を有するエレクトレット層を配置することで、光電変換素子のＰＮ接合部分の内蔵電界を強くし、空乏層を広げる技術が報告されている（例えば特許文献３参照）

特開２０１２−２１００７６号公報 特開２００９−２９１０２０号公報 特開２０１６−８６１１７号公報

しかしながら、特許文献１〜２の記載では、複数の発電装置を組み込むためには、それぞれの発電装置を別々に設置して、制御回路に接続する必要があるため、発電モジュールが大型化してしまうという問題があった。

また、光電変換素子においては、特許文献３の記載では、再結合速度がPN接合内部よりもはるかに速い表面再結合速度を低下させるほどのバンド構造の変化は得られないという問題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の目的は、複数種のエネルギー源を入力エネルギーとして利用可能であるとともに、サイズが大きくなるのを抑制することが可能な発電装置およびそのような発電装置を備えた発電モジュールを提供することである。

本発明の発電装置は、光電変換膜を有する光電変換部と、電荷を保持するエレクトレット層を有し、透光性の材料で構成されたエレクトレット発電部と、光電変換膜の表面を覆い、かつ光電変換膜で利用可能な全波長帯域または全波長帯域の一部の波長帯域の光を透過する絶縁層とを備える。エレクトレット層は、絶縁層上に積層される。

本発明の発電装置では、エレクトレット層と光電変換膜とが積層されるので、発電装置のサイズが大きくなるのを抑制できる。また、本発明の発電装置は、光電変換部とエレクトレット発電部とを備えるので、振動エネルギーと光エネルギーとを利用することができる。

実施の形態１の発電装置の断面図である。 光電変換膜の表面における界面固定電荷の効果を説明する図である。 界面固定電荷と、界面再結合速度の関係を表す図である。 界面再結合速度と光電変換部の開放電圧との関係を表わす図である。 界面再結合速度と短絡電流密度との関係を表わす図である。 結晶シリコンで構成される光電変換膜の内部量子効率の例を示す図である。 膜厚２００μｍのアモルファスフッ化樹脂の透過率を示す図である。 室内照明で多く使われている蛍光灯と白色ＬＥＤの光に含まれる光のスペクトル分布を示す図である。 第１の透明電極の形成後に発電装置を上方から見た図である。 実施の形態１において、透光性可動基板を上方から見た図である。 実施の形態１において、透光性可動基板を下方から見た図である。 実施の形態２の発電モジュールの構成を示す回路図である。 実施の形態３の発電モジュールの構成を示す回路図である。 実施の形態４の発電装置の断面図である。 実施の形態４において、透光性可動基板を下方から見た図である。 実施の形態４におけるエレクトレット層の大きさおよび配置を説明するための図である。 実施の形態４のエレクトレット発電部の発電動作を説明する図である。 実施の形態５の発電モジュールの構成を示す回路図である。

次に、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１は、実施の形態１の発電装置１の断面図である。

図１に示すように、発電装置１は、固定部材１００と、バネ材２０４と、支持材１０１と、光電変換部２と、エレクトレット発電部３と、絶縁層１２とを備える。

光電変換部２は、光電変換膜１０と、電極１１とを備える。光電変換部２は、バックコンタクト方式の太陽電池である。

エレクトレット発電部３は、エレクトレット層２００と、第１の透明電極２０１と、第２の透明電極２０２と、透光性可動基板２０３とを備える。エレクトレット発電部３は、静電誘導型発電素子である。

電極１１は固定部材１００上に配置されている。光電変換膜１０は、太陽光などの光を受ける面（表面）と反対側の面（裏面）で電極１１と接触する。光電変換膜１０の表面は絶縁層１２で覆われている。絶縁層１２は、光電変換膜１０で利用可能な全波長帯域または全波長帯域の一部の波長帯域の光を透過する。絶縁層１２は、酸化シリコン、酸化アルミニウム、窒化シリコン、またはこれらの積層膜によって形成されている。絶縁層１２の最表面にエレクトレット層２００が形成されている。

第１の透明電極２０１は、エレクトレット層２００上に配置される。第２の透明電極２０２は、透光性可動基板２０３上に設置される。第１の透明電極２０１と空間を介して第２の透明電極２０２が対面するように透光性可動基板２０３が配置される。透光性可動基板２０３は、両側のバネ材２０４を介して支持材１０１に接続されている。支持材１０１は、第１の透明電極２０１と第２の透明電極２０２とが接触しないように透光性可動基板２０３を支える。

エレクトレット層２００は、たとえばポリカーボネート、ポリプロピレン、ポリテトラフルロエチレン、またはアモルファスフッ化樹脂等の有機系絶縁材料、あるいは二酸化ケイ素等の無機系絶縁材料によって形成されている。これらの材料は透光性を有しているため、光電変換部２の入射光側に設置されていたとしても、光電変換部２の出力を低下させることはない。エレクトレット層２００は前述した材料に対して、コロナチャージ放電等により、正または負の電荷を打ち込むことにより、層内部に電荷を保持し続けることができる。

バネ材２０４は、たとえばポリカーボネート、ポリプロピレン、ポリテトラフルロエチレン、またはアモルファスフッ化樹脂等の有機系絶縁材料によって構成されている。このバネ材２０４の材料としては、透光性を有していること、かつ架橋構造としても自立することができる強度を持った材料で構成されることが望ましい。

図２は、光電変換膜１０の表面における界面固定電荷の効果を説明する図である。
ここでは、例としてｐ型結晶シリコンの光電変換膜４０９に対して、二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、または窒化シリコン等の絶縁層４０４が形成され、絶縁層４０４の上に負の固定電荷を有するエレクトレット層４１０が形成されている場合について説明する。

光電変換膜４０９の界面には、多くの界面再結合準位４０３が存在する。光電変換膜４０９に多数の電子４０２または正孔が存在すると、界面再結合準位４０３を介して再結合し、開放電圧または短絡電流を低下させる。この時の再結合速度Ｓは式（１）によって表される。ここで、n_s、p_sは界面での電子および正孔密度、n_1、p_1はあるエネルギー位置における電子または正孔密度、n_iは真性キャリア密度、ν_thはキャリアの熱速度、D_itは面欠陥密度、E_tはエネルギー位置、σ_s、σ_sは電子および正孔の捕獲断面積である。

式（１）より、再結合速度Ｓを小さくするには、面欠陥密度D_itを小さくするか、または存在する少数キャリア濃度n_s、p_sを小さくする必要があることがわかる。

図２に示すように、光電変換膜４０９の表面近傍にエレクトレット層４１０の固定電荷４００が存在することによって電界が発生し、光電変換膜４０９の端のバンド構造４０１が曲げられる。その結果、光電変換膜４０９の端に存在した電子がバンド構造４０１の曲りによって光電変換膜４０９の内部に押し戻される。これによって界面再結合速度を低下させることができる。

図３は、界面固定電荷と、界面再結合速度の関係を表す図である。図３に示すように、界面固定電荷密度が１．０×１０¹¹ｃｍ^-2を超えると、界面再結合速度が減少していくことがわかる。

特許文献３においては、光電変換素子の電極周辺部や側面に-0.2mC/m²から−2.1mC/m²の範囲の表面電荷密度を有するエレクトレット層を配置することで、光電変換素子のＰＮ接合部分の内蔵電界を強くし、空乏層を広げる技術が報告されているが、界面固定電荷密度に直すと1.0×10⁹cm^-2前後であり、本実施の形態のように界面再結合速度を低下させるには不十分である。

次に、界面再結合速度を減少させる効果について述べる。
図４は、界面再結合速度と光電変換部２の開放電圧との関係を表わす図である。図５は、界面再結合速度と短絡電流密度との関係を表わす図である。これらの図では、開放電圧と短絡電流密度のどちらも、理解を助けるために界面再結合速度が１×１０⁵ｃｍ／ｓの時の値を元に規格化している。

開放電圧および短絡電流密度は、どちらも界面再結合速度の減少に従い値が増加していくことがわかる。界面再結合速度が１×１０²ｃｍ／ｓ以下になると、短絡電流密度の改善は見られなくなる。これらの結果より、エレクトレット層２００の界面固定電荷密度は１．０×１０¹¹ｃｍ^-2以上であることが望ましい。

次に、エレクトレット層２００を光電変換部２の上方に設置することによる光学的な影響について述べる。

図６は、結晶シリコンで構成される光電変換膜の内部量子効率の例を示す図である。内部量子効率は、波長３００ｎｍから立ち上がり、波長６００ｎｍ付近で最大値をとる。波長１０００ｎｍを過ぎると、内部利用効率は低下する。

図７は、膜厚２００μｍのアモルファスフッ化樹脂の透過率を示す図である。波長３００ｎｍ以上では透過率９０％以上を維持している。特に光電変換膜の利用効率が高い波長６００ｎｍ以降の領域では９５％以上の透過率がある。

図８は、室内照明で多く使われている蛍光灯と白色ＬＥＤ（Light Emitting Diode）の光に含まれる光のスペクトル分布を示す図である。どちらの照明も波長４００ｎｍ〜７００ｎｍの光が主であり、アモルファスフッ化樹脂を十分通過することができる。エレクトレット層２００を１００ｎｍ〜２００μｍ程度の膜厚で構成することによって、さらに光を透過させることができる。

再び、図１を参照して、エレクトレット層２００の上に第１の透明電極２０１が形成されている。第１の透明電極２０１は、酸化亜鉛、酸化錫、酸化インジウム、または酸化ガリウム等の透光性の金属酸化物を蒸着またはスパッタ等で成膜し、パターニングすることで形成することができる。あるいは、第１の透明電極２０１は、金属マスクなどを用いて、製膜時に所望の形状とすることによっても形成可能である。

図９は、第１の透明電極２０１の形成後に発電装置１を上方から見た図である。
図９に示すように、第１の透明電極２０１を櫛型形状とすることができる。この場合には、第１の透明電極２０１は、エレクトレット層２００上から絶縁層１２を経て、支持材１０１まで形成される。第１の透明電極２０１の一端に外部取出し部分１４が形成される。

図９において、電極１１は、カソード、アノード共に片側に伸びている。電極１１の一端に電極１１用の外部取出し部分１３が形成されている。電極１１の形状および電極１１用の外部取出し部分１３の配置は、実施の形態１に記載の構造に限らない。たとえば、光電変換膜１０の両側に外部取出し部分１３を形成してもよいし、その他の場所に外部取出し部分１３を形成しても良い。

図１０は、実施の形態１において透光性可動基板２０３を上方から見た図である。
図１０に示すように、第１の透明電極２０１に対向するように透光性可動基板２０３が配置される。透光性可動基板２０３は、バネ材２０４を通じて支持材１０１に接続される。透光性可動基板２０３およびバネ材２０４は、樹脂またはガラス等の透光性材料を加工して作成される。支持材１０１は透光性である必要がないため、樹脂、ガラス、またはシリコン等を用いることができる。

透光性可動基板２０３の第１の透明電極２０１に対向する面には、第２の透明電極２０２が酸化亜鉛、酸化錫、酸化インジウム、酸化ガリウム等の透光性の金属酸化物を蒸着またはスパッタ等で成膜し、パターニングすることで形成されている。あるいは、第２の透明電極２０２は、金属マスクなどを用いて、製膜時に所望の形状とすることが可能である。

第２の透明電極２０２の形状は、発電装置１の形状、エレクトレット層２００の電荷密度、想定する振動周波数、および振動方向などに基づいて、適時最適に設計される。

図１１は、実施の形態１において透光性可動基板２０３を下方から見た図である。
図１１に示すように、第２の透明電極２０２の形状をバネ材２０４の振動方向Ｘに対して、平行な櫛型形状とすることができる。この場合、第２の透明電極２０２は、透光性可動基板２０３から、バネ材２０４を経由して、支持材１０１の端まで形成される。支持材１０１の端に外部への電流取出しのための取出し部分１５が形成される。

エレクトレット発電部３の出力は、式（２）で表される。Pは出力、Aは第１の透明電極２０１と第２の透明電極２０２の重なり面積の変化量、σはエレクトレット層２００の電荷密度、d_1は第１の透明電極２０１と第２の透明電極２０２の間距離、d_2はエレクトレット層２００の厚み、ε_0は真空の誘電率、ε_1はエレクトレット層２００の比誘電率、fは振動周波数、nは第１の透明電極２０１および第２の透明電極２０２が重なる数を示す。

式（２）より、エレクトレット発電部３の出力を増加させるためには、エレクトレット層２００の電荷密度を高くする、第１の透明電極２０１と第２の透明電極２０２の重なり面積の変化量を大きくする、あるいは、第１の透明電極２０１と第２の透明電極２０２間の距離を小さくする必要がある。

ここで、例えば、発電装置１のサイズを２０ｍｍ×２０ｍｍとし、そのうち光電変換膜１０の素子面積を１８ｍｍ×１８ｍｍ、界面再結合速度を１×１０⁵ｃｍ／ｓ、発電効率を１５％、室内光強度を４００ｌｕｘとすると、光電変換部２で得られる電力は２８．４μＷとなる。

さらに、以下のような条件を設定する。
光電変換膜１０の上部に厚み２０ｎｍ、界面固定電荷密度２．０×１０¹²ｃｍ^-2のエレクトレット層２００を形成する。第１の透明電極２０１および第２の透明電極２０２の長さを１６ｍｍ、幅１ｍｍとする。第１の透明電極２０１および第２の透明電極２０２をそれぞれ１ｍｍの間隔で５個配置する。第１の透明電極２０１と第２の透明電極２０２の間の距離を２００μｍとする。また、第１の透明電極２０１と第２の透明電極２０２の重なり面積が０．５ｍｍ²とする。透光性可動基板２０３に１０Ｈｚの振動を与える。

この条件において、エレクトレット発電部３から得られる最大電力は式（２）より５２．６μＷとなる。一方、光電変換部２への光の入射量が９５％に減るが、エレクトレット層２００の電荷により、開放電圧と短絡電流がそれぞれ３〜４％向上するため、２９μＷに改善し、エレクトレット発電部３の電力と足し合わせると、発電装置１の面積を増加させることなく６１．９μＷの出力が得られる。

以上のように、本実施の形態の発電装置によれば、仮に照明が消えて、光の入射がなくなったとしてもエレクトレット発電部から継続して電力を得ることができる。逆に、振動が止まったとしても、光電変換部から電力を得ることができる。よって、本実施の形態の発電装置は、安定した電力供給を行うことができる。また、利用する環境エネルギー源が異なる素子を積層しているため、発電装置のサイズを小さくすることができる。

実施の形態２．
図１２は、実施の形態２の発電モジュール３５０の構成を示した回路図である。

発電モジュール３５０は、発電装置１と、第１の出力端子３１０ａ、３１０ｂと、第２の出力端子３２０ａ、３２０ｂと、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ３３１と、整流素子３３０と、第２のＤＣ／ＤＣコンバータ３３２と、蓄電素子３３４とを備える。

発電装置１によって生成された電力は、第１の出力端子３１０ａ、３１０ｂと、第２の出力端子３２０ａ、３２０ｂを通じて取り出される。

第１の出力端子３１０ａ，３１０ｂは、発電装置１に含まれる光電変換部２によって生成された直流電圧を出力する。

第１のＤＣ／ＤＣコンバータ３３１は、第１の出力端子３１０ａ，３１０ｂから出力される直流電圧を別の直流電圧に変換し、変換した電圧を蓄電素子３３４へ出力する。

第２の出力端子３２０ａ、３２０ｂは、発電装置１に含まれるエレクトレット発電部３によって生成された交流電圧を出力する。整流素子３３０は、第２の出力端子３２０ａ、３２０ｂから出力される交流電圧を整流する。

第２のＤＣ／ＤＣコンバータ３３２は、整流素子３３０から出力される直流電圧を別の直流電圧に変換し、変換した電圧を蓄電素子３３４へ送る。

蓄電素子３３４は、鉛蓄電池またはリチウムイオン電池等の二次電池でもよいし、電気二重層コンデンサの様なキャパシタでも良い。蓄電素子３３４として二次電池を使用した場合、化学反応によって電気エネルギーを貯めるため、エネルギー密度が高く小型化できるとともに、電荷の保持期間も長くなるというメリットがあるが、充放電を繰り返すことによって劣化が発生するという問題がある。一方、蓄電素子３３４としてキャパシタを用いた場合は、イオン分子によって電荷を蓄えるため、劣化が少ないというメリットがあるが、エネルギー密度が小さくなるとともに、自己放電もしやすくなるという問題がある。蓄電素子３３４は、エネルギー消費量もしくは、環境エネルギー源の発生量、継続性を考慮し選択することが好ましい。

このような構成とすることによって、発電装置１内の光電変換部２とエレクトレット発電部３の両方からの電力供給が立たれた場合でも蓄電素子３３４に蓄えられた電力によって、センサー、通信機器、またはＩＣ等の電力を必要とする機器に安定した電力供給をすることができる。

実施の形態３．
図１３は、実施の形態３の発電モジュール４５０の構成を示す回路図である。

実施の形態３の発電モジュール４５０が、実施の形態２の発電モジュール３５０と相違する点は、以下である。

実施の形態３の発電モジュール４５０は、逆流防止ダイオード３３５ａ，３３５ｂを備える。

変動する周辺の環境エネルギーをエネルギー源とする発電装置１は、その環境エネルギーの変動に伴って、出力特性が大きく変動する。そのため、蓄電素子３３４に入力される電圧も常に一定となるわけではない。このような場合には、エレクトレット発電部３の回路から光電変換部２の回路への電流の逆流、または光電変換部２の回路からエレクトレット発電部３の回路への電流の逆流が発生することがある。電流の逆流が発生してしまった場合、発電装置の破壊、または異常動作等が発生する。

本実施の形態では、エレクトレット発電部３から蓄電素子３３４までの経路の途中に第２の逆流防止ダイオード３３５ａが設けられ、光電変換部２から蓄電素子３３４までの経路の途中に第１の逆流防止ダイオード３３５ｂが設けられる。これによって、電流の逆流を阻止し、発電モジュールの故障を防ぐことができる。

実施の形態４．
図１４は、実施の形態４の発電装置４０１の断面図である。

実施の形態４の発電装置４０１が、実施の形態１の発電装置１と相違する点は、実施の形態４の発電装置４０１が、実施の形態１のエレクトレット発電部３と相違するエレクトレット発電部４０３を備える点である。

エレクトレット発電部４０３は、実施の形態１のエレクトレット発電部３と同様に、エレクトレット層２００と、第１の透明電極２０１と、第２の透明電極２０２と、透光性可動基板２０３とを備える。

実施の形態４でも、実施の形態１と同様に、透光性可動基板２０３と、エレクトレット層２００とが空間を介して対面するように配置される。実施の形態４では、透光性可動基板２０３上に第１の透明電極２０１と第２の透明電極２０２が形成される。

図１５は、実施の形態４において、透光性可動基板２０３を下方から見た図である。
図１５に示すように、透光性可動基板２０３は、バネ材２０４を通じて支持材１０１に接続される。

第１の透明電極２０１は、透光性可動基板２０３から、バネ材２０４を経由して、支持材１０１の端まで形成される。支持材１０１の端に外部への電流取出しのための取出し部分１４が形成される。

第２の透明電極２０２は、透光性可動基板２０３から、バネ材２０４を経由して、支持材１０１の端まで形成される。支持材１０１の端に外部への電流取出しのための取出し部分１５が形成される。

図１６は、実施の形態４におけるエレクトレット層２００の大きさおよび配置を説明するための図である。

第１の透明電極２０１と第２の透明電極２０２の全表面が、透光性可動基板２０３の振動中において常にエレクトレット層と重なる場合には、電荷の移動が発生せずに発電できない。そえゆえ、透光性可動基板２０３の振動中のある期間において、第１の透明電極２０１と第２の透明電極の全表面の一部が、エレクトレット層２００と重ならないようにエレクトレット層２００の大きさ、および配置が調整される。

具体的には、図１６（ａ）に示すように、透光性可動基板２０３が振動するときの、第１の透明電極２０１が最も左へ移動したときの位置と、第２の透明電極２０２が最も右へ移動したときの位置との間の距離（振動幅Ｗともいう）が、エレクトレット層２００の幅Ｄよりも大きくなるように、エレクトレット層２００の大きさ、および配置が調整される。

一方、図１６（ｂ）に示すように、振動幅Ｗが、エレクトレット層２００の幅Ｄよりも小さい場合には、電荷の移動が発生せず、発電できない。よって、エレクトレット層２００は、このようには調整されない。

図１７は、実施の形態４のエレクトレット発電部４０３の発電動作を説明する図である。

図１７（ａ）に示すように、第１の透明電極２０１と第２の透明電極２０２の両方がエレクトレット層２００と重なっている場合には、第１の透明電極２０１と第２の透明電極２０２に等しい正電荷４１０が誘起される。

図１７（ｂ）に示すように、透光性可動基板２０３に振動が加えられ、第１の透明電極２０１の一部がエレクトレット層２００と重ならない場合、第１の透明電極２０１の一部に誘起されていた正電荷４１０が外部負荷を通じて第２の透明電極２０２へと移動する。これによって電力を取り出すことが可能となる。

本実施の形態では、第１の透明電極２０１と第２の透明電極２０２とを、透光性可動基板２０３に同時に形成できるため、製造プロセスを簡略化することができる。

実施の形態５．
図１８は、実施の形態５の発電モジュール５５０の構成を示す回路図である。

実施の形態５の発電モジュール５５０が、実施の形態２の発電モジュール３５０と相違する点は、以下である。

実施の形態３の発電モジュール５５０は、回路制御器３９１と、バイパススイッチＳＷａ，ＳＷｂと、電圧計測部５５２，５５３とを備える点である。

電圧計測部５５２は、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ３３１の入力端子間の電圧Ｖ１を計測する。電圧Ｖ１は、発電装置１内の光電変換部２の出力電圧を表わす。電圧計測部５５３は、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ３３１の出力端子間の電圧Ｖ２を計測する。電圧Ｖ２は、蓄電素子３３４の両端電圧を表わす。

回路制御器３９１は、電圧計測部５５２で計測された電圧Ｖ１と電圧計測部５５３で計測された電圧Ｖ２とに基づいて、バイパススイッチＳＷａ，ＳＷｂを制御する。

バイパススイッチＳＷａは、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ３３１の入力端子と出力端子と接続し、または接続を分断する。バイパススイッチＳＷｂは、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ３３１の入力端子と出力端子と接続し、または接続を分断する。

蓄電素子３３４に蓄えられた電力Ｗは、以下の式（３）で表されるので、蓄電素子３３４の両端電圧Ｖ２は、充電中に徐々に上昇する。ここで、Ｃは、蓄電素子３３４の静電容量である。

したがって、蓄電素子３３４に電力が溜まっていない場合、または少ない場合には蓄電素子３３４の両端電圧Ｖ２は低い値となっている。

第１のＤＣ／ＤＣコンバータ３３１の変換効率は、最適な昇圧比であっても９０％程度であるとともに、一般的に昇圧比が高くなるほど低下する。したがって、光電変換部２の出力電圧が蓄電素子３３４の電圧よりも十分高く、直接接続しても蓄電素子３３４へ充電される状況であれば、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ３３１を介さない方が、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ３３１における電力消費がないため、効率よく電力を蓄えることが可能となる。それゆえ、回路制御器３９１は、電圧Ｖ２が電圧Ｖ１よりも低い場合、バイパススイッチＳＷａ，ＳＷｂをオンにして、発電装置１内の光電変換部２の出力を第１のＤＣ／ＤＣコンバータ３３１を介さずに直接、蓄電素子３３４へ供給させる。

回路制御器３９１は、アナログ入力を有するマイコン、またはコンパレータなどの電圧比較回路によって構成することが可能である。バイパススイッチＳＷａ，ＳＷｂは、電力消費（切り替え時の消費電力、通電時の素子での消費電力）を考慮すると、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）のような半導体スイッチが望ましい。

一方、エレクトレット発電部３によって、光電変換部２（太陽光発電素子）の出力電圧に比べると比較的高い（２０Ｖ〜３０Ｖ）電圧が生成される。したがって、エレクトレット発電部３を蓄電素子３３４に接続する前に、エレクトレット発電部３の出力を降圧型の第２のＤＣ／ＤＣコンバータ３３２に接続して、外部負荷であるセンサー類またはマイコンに入力できる電圧（３Ｖ〜５Ｖ）に調整してやることが望ましい。

以上の構成により、蓄電素子３３４に電力が充電されていない初期状態から、発電装置１で生成された電力を用いて蓄電素子３３４へ充電する場合に、蓄電素子３３４の両端電圧が、低電圧を出力する光電変換部２の出力電圧よりも低いときには、第１のＤＣ／ＤＣコンバータ３３１を介さずに、光電変換部２によって直接、蓄電素子３３４を充電することによって、生成した電力をすべて充電することができる。その後、蓄電素子３３４へ充電された電力が増加し、蓄電素子３３４の両端電圧が光電変換部２の出力電圧よりも高くなった場合には、光電変換部２の出力電圧を第１のＤＣ／ＤＣコンバータ３３１によって昇圧することによって、継続して充電することができる。以上のような制御によって、発電モジュール５５０は、効率的に電力を供給することが可能となる。

（変形例）
本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、たとえば、以下のような変形例も含む。

（１） 光電変換膜１０は、ｐ型結晶シリコンに限定されるものではない。たとえば、ｎ型結晶シリコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、化合物、または有機系の光電変換膜１０を利用することができる。

光電変換膜１０は、裏面コンタクト型のものに限定されるものではない。光電変換膜１０は、受光面側に電極が存在するものであっても、受光面側の櫛型電極、ライン状電極の隙間の受光部分の発電層に同様の効果が生じる。よって、光電変換膜１０は、ＰＥＲＣ（Passivated Emitter Rear Contact）型、ＰＥＲＬ（Passivated Emitter Rear Localized）型、ヘテロ接合型、または両面受光型であっても良い。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１，４０１ 発電装置、２ 光電変換部、３，４０３ エレクトレット発電部、１０，４０９ 光電変換膜、１１ 電極、１２，４０４ 絶縁層、１３，１４，１５ 電力外部取出し部分、１００ 固定部材、１０１ 支持材、２００，４１０ エレクトレット層、２０１ 第１の透明電極、２０２ 第２の透明電極、２０３ 透光性可動基板、２０４ バネ材、３１０ａ，３１０ｂ，３２０ａ，３２０ｂ 出力端子、３３０ 整流素子、３３１，３３２ ＤＣ／ＤＣコンバータ、３３４ 蓄電素子、３３５ａ，３３５ｂ 逆流防止ダイオード、３５０，４５０，５５０ 発電モジュール，ＳＷａ，ＳＷｂ バイパススイッチ、３９１ 回路制御器、５５２，５５３ 電圧計測部。

Claims (11)

1. 光電変換膜を有する光電変換部と、
   電荷を保持するエレクトレット層を有し、透光性の材料で構成されたエレクトレット発電部と、
   前記光電変換膜の表面を覆い、かつ前記光電変換膜で利用可能な全波長帯域または前記全波長帯域の一部の波長帯域の光を透過する絶縁層とを備え、
   前記エレクトレット層は、前記絶縁層上に積層される、発電装置。
2. 前記エレクトレット発電部は、
   透光性可動基板と、
   前記エレクトレット層上に配置された第１の透明電極と、
   前記透光性可動基板上に配置された第２の透明電極とを備える、請求項１に記載の発電装置。
3. 前記エレクトレット発電部は、
   透光性可動基板と、
   前記透光性可動基板上に配置された第１の透明電極および第２の透明電極とを備える、請求項１に記載の発電装置。
4. 前記光電変換部は、電極を備え、
   前記光電変換膜の入射光を受けない面が前記電極と接触する、請求項１〜３のいずれか１項に記載の発電装置。
5. 前記エレクトレット発電部が、ポリカーボネート、ポリプロピレン、ポリテトラフルロエチレン、アモルファスフッ化樹脂、または二酸化ケイ素からなる請求項１〜４のいずれか１項に記載の発電装置。
6. 前記エレクトレット層が、ポリカーボネート、ポリプロピレン、ポリテトラフルロエチレン、アモルファスフッ化樹脂、または二酸化ケイ素からなる請求項１〜４のいずれか１項に記載の発電装置。
7. 前記エレクトレット層の表面電荷密度が正・負問わず１．０×１０¹¹ｃｍ^-2以上である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の発電装置。
8. 前記透光性可動基板は、バネ材を介して支持材に接続され、
   前記バネ材が、ポリカーボネート、ポリプロピレン、ポリテトラフルロエチレン、またはアモルファスフッ化樹脂からなる請求項２または３に記載の発電装置。
9. 請求項１〜８のいずれか１項に記載された発電装置と、
   前記発電装置に含まれる前記光電変換部から出力される直流電圧を別の直流電圧に変換する第１のＤＣ／ＤＣコンバータと、
   前記発電装置に含まれるエレクトレット発電部で生成された交流電力を直流電力に変換する整流回路と、
   前記整流回路から出力される直流電圧を別の直流電圧に変換する第２のＤＣ／ＤＣコンバータと、
   前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータの出力および前記第２のＤＣ／ＤＣコンバータの出力と接続された蓄電素子とを備える、発電モジュール。
10. 前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータと前記蓄電素子との間に配置された第１の逆流防止ダイオードと、
    前記第２のＤＣ／ＤＣコンバータと前記蓄電素子との間に配置された第２の逆流防止ダイオードとをさらに備える、請求項９記載の発電モジュール。
11. 前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータの入力端子と出力端子との間を接続または接続を遮断するバイパススイッチと、
    前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータの入力端子の電圧を計測する第１の電圧計測部と、
    前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータの出力端子の電圧を計測する第２の電圧計測部と、
    前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータの入力端子の電圧と、前記第１のＤＣ／ＤＣコンバータの出力端子の電圧とに基づいて、前記バイパススイッチを制御する回路制御器とを備えた、請求項９記載の発電モジュール。

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