JP6957420B2 - 発電素子、発電モジュール、発電装置及び発電システム - Google Patents

発電素子、発電モジュール、発電装置及び発電システム Download PDF

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Description

本発明の実施形態は、発電素子、発電モジュール、発電装置及び発電システムに関する。
例えば、熱源からの熱が加わるエミッタ電極と、エミッタ電極からの熱電子を捕獲するコレクタ電極と、を有する発電素子がある。発電素子において、効率の向上が望まれる。
特開２０１３−２２９９７１号公報
本発明の実施形態は、効率を向上できる発電素子、発電モジュール、発電装置及び発電システムを提供する。
本発明の実施形態によれば、発電素子は、第１導電層と、第２導電層と、前記第１導電層と前記第２導電層との間に設けられた第１部材と、前記第１部材と前記第２導電層との間に設けられ前記第１部材から離れた第２部材と、を含む。前記第１部材は、Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ（０≦ｘ１＜１）を含む第１領域と、Ａｌｘ２Ｇａ１−ｘ２Ｎ（ｘ１＜ｘ２≦１）を含み前記第１領域と前記第２部材との間に設けられた第２領域と、を含む。前記第１部材の＜０００−１＞方向は、前記第１導電層から前記第２導電層への向きの成分を有する。
図１（ａ）〜図１（ｃ）は、第１実施形態に係る発電素子を例示する模式的斜視図である。 図２（ａ）〜図２（ｄ）は、発電素子の特性を例示するグラフ図である。 図３は、発電素子の特性を例示するグラフ図である。 図４は、発電素子の特性を例示するグラフ図である。 図５（ａ）〜図５（ｄ）は、第１実施形態に係る発電素子を例示するグラフ図である。 図６（ａ）〜図６（ｅ）は、第２実施形態に係る発電素子の製造方法を例示する模式的断面図である。 図７（ａ）及び図７（ｂ）は、実施形態に係る発電モジュール及び発電装置を示す模式図的断面図である。 図８（ａ）及び図８（ｂ）は、実施形態に係る発電装置及び発電システムを示す模式図である。
以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚さと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
（第１の実施形態）
図１（ａ）〜図１（ｃ）は、第１実施形態に係る発電素子を例示する模式的斜視図である。
図１（ａ）に示すように、第１実施形態に係る発電素子１１０は、第１導電層Ｅ１、第２導電層Ｅ２、第１部材１１及び第２部材１２を含む。
第１部材１１は、第１導電層Ｅ１と第２導電層Ｅ２との間に設けられる。第２部材１２は、第１部材１１と第２導電層Ｅ２との間に設けられる。第２部材１２は、第１部材１１から離れる。例えば、第１部材１１と第２部材１２との間に、空隙２０が設けられる。
１つの例において、空隙２０は、減圧状態である。例えば、容器７０が設けられる。例えば、容器７０の内部に、第１部材１１及び第２部材１２が設けられる。容器７０の内部が減圧状態とされる。これにより、空隙２０が、減圧状態となる。
第１部材１１は、第１領域ｒ１及び第２領域ｒ２を含む。第１領域ｒ１は、Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ（０≦ｘ１＜１）を含む。第２領域ｒ２は、Ａｌｘ２Ｇａ１−ｘ２Ｎ（ｘ１＜ｘ２≦１）を含む。第２領域ｒ２は、第１領域ｒ１と第２部材１２との間に設けられる。１つの例において、第１領域ｒ１は、例えば、ＧａＮを含んでも良い。第２領域ｒ２は、例えば、ＡｌＮを含んでも良い。
第２部材１２に複数の領域が設けられても良い。この例では、第２部材１２は、第１対向領域ｐ１及び第２対向領域ｐ２を含む。第１対向領域ｐ１は、Ａｌｙ１Ｇａ１−ｙ１Ｎ（０≦ｙ１＜１）を含む。第２対向領域ｐ２は、Ａｌｙ２Ｇａ１−ｙ２Ｎ（ｙ１＜ｙ２≦１）を含む。第２対向領域ｐ２は、第１対向領域ｐ１と第１部材１１との間に設けられる。例えば、第２領域ｒ２と第２対向領域ｐ２との間に、空隙２０が設けられる。
例えば、第１部材１１は、第１面１１ａを有する。第１面１１ａは、第２部材１２に対向する。例えば、第２部材１２は、第２面１２ａを有する。第２面１２ａは、第１部材１１に対向する。
第１部材１１から第２部材１２に向かう方向をＺ軸方向とする。Ｚ軸方向は、第１導電層Ｅ１から第２導電層Ｅ２に向かう方向に対応する。Ｚ軸方向に対して垂直な１つの方向をＸ軸方向とする。Ｚ軸方向及びＸ軸方向に対して垂直な方向をＹ軸方向とする。
この例では、第１部材１１及び第２部材１２は、Ｘ−Ｙ平面に沿って広がる膜状である。実施形態において、第１部材１１及び第２部材１２の形状は任意である。
第１部材１１の厚さｔ１は、例えば、１ｎｍ以上３０００ｎｍ以下である。第２部材１２の厚さｔ２は、例えば、１ｎｍ以上３０００ｎｍ以下である。第１部材１１と第２部材１２との間の距離は、空隙２０の厚さｔ３に対応する。厚さｔ３は、例えば、０．１μｍ以上５０μｍ以下である。これらの厚さは、Ｚ軸方向に沿う距離である。
図１（ｂ）に示すように、第１部材１１と第２部材１２との間に、スペーサ２１が設けられても良い。スペーサ２１は、絶縁性である。スペーサ２１により、空隙２０が形成される。
第１部材１１の少なくとも一部は、結晶である。第２部材１２の少なくとも一部が結晶でも良い。
第１部材１１の＜０００−１＞方向は、第１導電層Ｅ１から第２導電層Ｅ２への向きの成分を有する。この向きは、第１部材１１から第２部材１２への向きと同じである。「＜０００−１＞」の表記において、「−」は、「バー」に対応する。例えば、＜０００−１＞方向は、＜０００１＞方向に対して逆である。
１つの例において、第２部材１２の＜０００−１＞方向は、第２導電層Ｅ２から第１導電層Ｅ１への向きの成分を有する。このように、本実施形態に係る１つの例において、第１部材１１の結晶の向きが、第２部材１２の結晶の向きと逆の成分を含んでも良い。例えば、第１部材１１に用いられる部材を、向きを変えて第２部材１２として用いても良い。これにより、高い発電効率が得られる。
例えば、第１面１１ａは、例えば、（０００−１）面である。第１面１１ａは、半極性面でも良い。第２面１２ａは、例えば、（０００−１）面である。第２面１２ａは、半極性面でも良い。
例えば、第１部材１１は、第１導電層Ｅ１と電気的に接続される。第２部材１２は、第２導電層Ｅ２と電気的に接続される。
図１（ａ）に示すように、例えば、第１端子７１及び第２端子７２が設けられる。第１端子７１は、第１導電層Ｅ１と電気的に接続される。第２端子７２は、第２導電層Ｅ２と電気的に接続される。第１端子７１と第２端子７２との間に、負荷３０が電気的に接続可能である。
例えば、第１導電層Ｅ１（及び第１部材１１）の温度を第１温度Ｔ１とする。第２導電層Ｅ２（及び第２部材１２）の温度を第２温度Ｔ２とする。例えば、第１部材１１の温度（第１温度Ｔ１）が、第２部材１２の温度（第２温度Ｔ２）よりも高くされる。例えば、熱源などに第１導電層Ｅ１（及び第１部材１１）が接続される。これにより、第１温度Ｔ１が第２温度Ｔ２よりも高くなる。これにより、第１部材１１から電子５１が放出される。電子５１は、例えば、熱電子である。電子５１は、第２部材１２に向かって進行する。電子５１は、第２部材１２に到達する。
第２部材１２に到達した電子５１は、第２導電層Ｅ２及び第２端子７２を介して、負荷３０に流れる。電子５１の流れが電流に対応する。
このように、発電素子１１０においては、第１導電層Ｅ１（及び第１部材１１）と第２導電層Ｅ２（及び第２部材１２）との間における温度の差を電流に変換できる。
第１導電層Ｅ１（及び第１部材１１）は、例えば、エミッタである。第２導電層Ｅ２（及び第２部材１２）は、例えば、コレクタである。
第１部材１１が上記のような結晶の向き（極性）を有することで、高い発電効率が得られる。実施形態においては、第１部材１１に、Ａｌ組成比が互い異なる複数の領域（例えば、第１領域ｒ１及び第２領域ｒ２）が設けられる。第２領域ｒ２におけるＡｌ組成比が高いことで、電子５１が効率的に放出される。第１領域ｒ１におけるＡｌ組成比が低いことで、第１領域ｒ１と第１導電層Ｅ１との間において、良好な電気的なコンタクトが得やすくなる。実施形態によれば、効率を向上できる発電素子が提供できる。
図１（ａ）及び図１（ｂ）に例示する発電素子１１０においては、第１部材１１に、２つの領域（第１領域ｒ１及び第２領域ｒ２）が設けられる。実施形態において、第１部材１１に設けられる複数の領域の数は、任意である。
例えば、図１（ｃ）に例示するように、実施形態に係る発電素子１１１においては、第１部材１１は、第１領域ｒ１及び第２領域ｒ２に加えて、第３領域ｒ３を含む。第３領域ｒ３は、第１領域ｒ１と第２領域ｒ２との間に設けられる。第１領域ｒ１と第２領域ｒ２との間に、第３領域ｒ３に加えて、さらに別の領域が設けられても良い。これらの領域の間の境界は、明瞭でも良く、不明瞭でも良い。
発電素子１１１の例においては、第２部材１２は、第１対向領域ｐ１及び第２対向領域ｐ２に加えて、第３対向領域ｐ３を含む。第３対向領域ｐ３は、第１対向領域ｐ１と第２対向領域ｐ２との間に設けられる。第１対向領域ｐ１と第２対向領域ｐ２との間に、第３対向領域ｐ３に加えて、さらに別の領域が設けられても良い。これらの領域の間の境界は、明瞭でも良く、不明瞭でも良い。これらの部材に設けられる領域の例については、後述する。
実施形態に係る１つの例において、第１部材１１の少なくとも一部は、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｅ及びＳｎよりなる群から選択された少なくとも１つの元素を含む。この元素は、例えば、ｎ形不純物として機能する。例えば、第１領域ｒ１は、このｎ形不純物（Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｅ及びＳｎよりなる群から選択された少なくとも１つの元素）を含む。第２領域ｒ２（及び第３領域ｒ３など）も、このｎ形不純物（Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｅ及びＳｎよりなる群から選択された少なくとも１つの元素）を含んでも良い。
第２部材１２の少なくとも一部も、上記のｎ形不純物を含んでも良い。例えば、第１〜第３対向領域ｐ１〜ｐ３の少なくとも１つは、上記のｎ形不純物（Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｅ及びＳｎよりなる群から選択された少なくとも１つの元素）を含んでも良い。
１つの例において、上記の部材（例えば第１部材１１及び第２部材１２）の少なくとも一部におけるｎ形不純物の濃度は、例えば、１×１０１７／ｃｍ３以上１×１０２０／ｃｍ３以下である。例えば、これらの部材（例えば第１部材１１及び第２部材１２）における電気抵抗が低くでき、良好な発電特性が得られる。
以下、発電装置の特性のシミュレーション結果の例について説明する。以下では、第１モデル及び第２モデルに関するシミュレーション結果について説明する。
第１モデルにおいては、第１導電層Ｅ１及び第２導電層Ｅ２は、Ｍｏである。第１部材１１の第１領域ｒ１においては、第１部材１１から第２部材１２への向きに沿って、Ａｌ組成比が、０から１に上昇する。Ａｌ組成比の上昇は、厚さ方向の位置（Ｚ軸方向における位置）に対して線形である。第２領域ｒ２は、ＡｌＮである。一方、第２部材１２の第１対向領域ｐ１においては、第２部材１２から第１部材１１への向きに沿って、Ａｌ組成比が、０から１に上昇する。Ａｌ組成比の上昇は、厚さ方向の位置（Ｚ軸方向における位置）に対して線形である。第２対向領域ｐ２は、ＡｌＮである。第１領域ｒ１及び第１対向領域ｐ１は、Ａｌ傾斜層である。第１領域ｒ１及び第１対向領域ｐ１のそれぞれの厚さは、０．５２μｍである。第２領域ｒ２及び第２対向領域ｐ２のそれぞれの厚さは、１．０μｍである。第１温度Ｔ１は、８００Ｋである。第２温度Ｔ２は、３００Ｋである。
第２モデルにおいては、第１領域ｒ１及び第１対向領域ｐ１が設けられない。第１部材１１及び第２部材１２のそれぞれは、１．５２μｍの厚さを有するＡｌＮ層である。第２モデルＭ２におけるこれ以外の構成は、第１モデルＭ１における構成と同じである。
第１モデル及び第２モデルにおいて、第１部材１１及び第２部材１２におけるキャリア濃度は、２×１０１８／ｃｍ３である。これらのモデルにおいて、第１導電層Ｅ１と第１部材１１との間、及び、第２導電層Ｅ２と第２部材１２との間において、実質的にショットキーコンタクトが適用される。
図２（ａ）〜図２（ｄ）は、発電素子の特性を例示するグラフ図である。
図２（ａ）及び図２（ｃ）は、第１モデルＭ１に対応する。図２（ｃ）は、図２（ａ）の一部を拡大して示している。図２（ｂ）及び図２（ｄ）は、第２モデルＭ２に対応する。図２（ｄ）は、図２（ｂ）の一部を拡大して示している。これらの図の横軸は、Ｚ軸方向に沿う位置ｐＺ（μｍ）である。縦軸は、エネルギーＥｎ（ｅＶ）である。これらの図には、伝導帯のエネルギーＥｎが示されている。
図２（ａ）及び図２（ｃ）に示すように、第１領域ｒ１（Ａｌ組成傾斜層）が設けられた第１モデルＭ１においては、第１導電層Ｅ１と第１領域ｒ１との間の部分に生じるエネルギーＥｎのピークの高さが小さい。この場合、例えば、第１導電層Ｅ１から第１領域ｒ１に向けて電子５１が移動し易い。
図２（ｂ）及び図２（ｄ）に示すように、第１領域ｒ１が設けられない第２モデルＭ２においては、第１導電層Ｅ１と第１領域ｒ１との間の部分に生じるエネルギーＥｎのピークの高さが著しく高い。この場合、例えば、第１導電層Ｅ１から第１領域ｒ１に向けて電子５１の移動が困難である。
第１モデルＭ１においては、１２．９Ａ／ｃｍ２の電流密度が得られる。第２モデルＭ２においては、電流密度は、実質的に０である。
このように、第１導電層Ｅ１の側のショットキー障壁高さを低くすることで、高い電流密度が得られる。
実施形態において、第１導電層Ｅ１と第１部材１１との間、及び、第２導電層Ｅ２と第２部材１２との間において、良好なコンタクト特性が得られることが好ましい。これにより、高い電流密度が得られる。
図３は、発電素子の特性を例示するグラフ図である。
図３は、上記の第２モデルＭ２に関するシミュレーション結果を例示している。この例において、第１導電層Ｅ１及び第２導電層Ｅ２は、Ｍｏである。第１部材１１及び第２部材１２のそれぞれは、ＡｌＮ層である。第１部材１１及び第２部材１２のそれぞれの厚さは、２．０２μｍである。
このシミュレーションでは、第１部材１１及び第２部材１２におけるキャリア濃度が変更される。ｎ形不純物の濃度は、ｎ形不純物のキャリア濃度と必ずしも同じではない。例えば、ｎ形不純物の一部が活性化される。活性化されたｎ形不純物により、キャリア（電子）が得られる。図３の横軸は、キャリア濃度ＣＣ（／ｃｍ３）に対応する。縦軸は、電流密度Ｊｔ（Ａ／ｃｍ２）に対応する。電流密度Ｊｔは、例えば、熱電子電流の密度に対応する。
図３に示すように、キャリア濃度ＣＣが高いと、高い電流密度Ｊｔが得られる。例えば、キャリア濃度ＣＣが１×１０１６ ／ｃｍ３以上において、高い電流密度Ｊｔが確実に得やすくなる。キャリア濃度ＣＣは、１×１０１７ ／ｃｍ３以上でも良い。キャリア濃度ＣＣは、１×１０１８ ／ｃｍ３以上でも良い。
ｎ形不純物の濃度と、ｎ形不純物のキャリア濃度と、の関係は、必ずしも一定ではない。ｎ形不純物の濃度と、ｎ形不純物のキャリア濃度と、の関係の例について説明する。
図４は、発電素子の特性を例示するグラフ図である。
図４の横軸は、ＡｌＧａＮ層におけるＡｌ組成比ＣＡｌである。縦軸は、Ａｌ組成比ＣＡｌを有するＡｌＧａＮ層において得られる最高のキャリア濃度ＣＣ（／ｃｍ３）である。図４に示すように、Ａｌ組成比ＣＡｌが高いと、最高のキャリア濃度ＣＣは低くなる。
これは、例えば、イオン化エネルギーの違い、または、自己補償効果などに起因すると考えられる。
このように、ｎ形不純物の濃度と、ｎ形不純物のキャリア濃度ＣＣと、の関係は、Ａｌ組成比に依存する。高いＡｌ組成比において得られる最高のキャリア濃度ＣＣは、低いＡｌ組成比において得られる最高のキャリア濃度ＣＣよりも低い。
例えば、Ａｌ組成比ＣＡｌをある程度低くすることで、高いキャリア濃度ＣＣが得られる。例えば、Ａｌ組成比ＣＡｌが０．７以下であると、５×１０１７ ／ｃｍ３以上の高いキャリア濃度が得られる。
例えば、第１領域ｒ１における組成比ｘ１（Ａｌ組成比）は、０．７以下であることが好ましい。これにより、高いキャリア濃度が得られる。例えば、第１領域ｒ１におけるキャリア濃度ＣＣは、１×１０１６／ｃｍ３以上である。例えば、第１領域ｒ１におけるキャリア濃度ＣＣは、１×１０１７／ｃｍ３以上でも良い。例えば、第１領域ｒ１におけるキャリア濃度ＣＣは、５×１０１６／ｃｍ３以上でも良い。
第１領域ｒ１におけるキャリア濃度ＣＣは、第２領域ｒ２におけるキャリア濃度ＣＣよりも高くても良い。第１領域ｒ１におけるキャリア濃度ＣＣが高いことで、例えば、第１領域ｒ１と第１導電層Ｅ１との間において、良好なコンタクト特性が得やすくなる。
第２領域ｒ２におけるｎ形不純物（Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｅ及びＳｎよりなる群から選択された少なくとも１つの元素）の濃度は、第１領域ｒ１におけるｎ形不純物元素の濃度よりも高くても良い。
１つの例において、第２領域ｒ２における組成比ｘ２（Ａｌ組成比）は、例えば、０．８以上である。電子親和力が小さくなり、電子５１が放出し易くなる。
例えば、第２部材１２の第１対向領域ｐ１における組成比ｙ１（Ａｌ組成比）は、０．７以下でも良い。例えば、第１対向領域ｐ１におけるキャリア濃度ＣＣは、１×１０１６／ｃｍ３以上でも良い。例えば、第１対向領域ｐ１におけるキャリア濃度ＣＣは、１×１０１７／ｃｍ３以上でも良い。例えば、第１対向領域ｐ１におけるキャリア濃度ＣＣは、５×１０１６／ｃｍ３以上でも良い。
第１対向領域ｐ１におけるキャリア濃度ＣＣは、第２対向領域ｐ２におけるキャリア濃度ＣＣよりも高くても良い。第２対向領域ｐ２におけるｎ形不純物（Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｅ及びＳｎよりなる群から選択された少なくとも１つの元素）の濃度は、第１対向領域ｐ１におけるｎ形不純物元素の濃度よりも高くても良い。１つの例において、第２対向領域ｐ２における組成比ｙ２（Ａｌ組成比）は、例えば、０．８以上でも良い。
図１（ｃ）に関して既に説明したように、第１部材１１は、Ａｌｘ３Ｇａ１−ｘ３Ｎ（ｘ１＜ｘ３＜ｘ２）を含む第３領域ｒ３を含んでも良い。第３領域ｒ３は、第１領域ｒ１と第２領域ｒ２との間に設けられる。第２部材１２は、Ａｌｙ３Ｇａ１−ｙ３Ｎ（ｙ１＜ｙ３＜ｙ２）を含む第３対向領域ｐ３を含んでも良い。第３対向領域ｐ３は、第１対向領域ｐ１と第２対向領域ｐ２との間に設けられる。
以下、第１部材１１のいくつか例について説明する。
図５（ａ）〜図５（ｄ）は、第１実施形態に係る発電素子を例示するグラフ図である。 これらの図は、第１部材１１におけるＡｌ組成比ＣＡｌのプロファイルの例を模式的に示している。これらの図の横軸は、Ｚ軸方向における位置ｐＺである。縦軸は、Ａｌ組成比ＣＡｌである。
図５（ａ）においては、Ａｌ組成比ＣＡｌは、２つの領域を含む。２つの領域の１つにおいてＡｌ組成比ＣＡｌは、値ａ１である。２つの領域の別の１つにおいてＡｌ組成比ＣＡｌは、値ａ２である。例えば、値ａ１を有する領域が、第１領域ｒ１に対応する。例えば、値ａ２を有する領域が、第２領域ｒ２に対応する。値ａ１は、値ａ２よりも低い。値ａ１は、例えば、０でも良い。値ａ２は、例えば、１でも良い。
図５（ｂ）においても、Ａｌ組成比ＣＡｌは、２つの領域を含む。２つの領域の１つにおいてＡｌ組成比ＣＡｌは、値ａ１から値ａ２に向けて上昇する。２つの領域の別の１つにおいてＡｌ組成比ＣＡｌは、値ａ２である。例えば、前者の領域が、第１領域ｒ１に対応し、後者の領域が、第２領域ｒ２に対応する。このように、第１領域ｒ１において、Ａｌ組成比ＣＡｌが変化しても良い。
図５（ｃ）に示すように、Ａｌ組成比ＣＡｌに、３つ以上の領域が設けられても良い。３つ以上の領域において、Ａｌ組成比ＣＡｌがステップ状に上昇しても良い。この例では、領域の数は、５である。実施形態において、領域の数は、任意である。例えば、値ａ１を有する領域が第１領域ｒ１に対応し、値ａ２を有する領域が第２領域ｒ２に対応する、と見なすことができる。これらの間の任意の領域を第３領域ｒ３と見なすことができる。
図５（ｄ）に示すように、Ａｌ組成比ＣＡｌに３つ以上の領域が設けられて、３つ以上の領域の少なくとも１つにおいて、Ａｌ組成比ＣＡｌが変化しても良い。
例えば、第１部材１１は、Ａｌ、Ｇａ及びＮを含む。第１部材１１の少なくとも一部におけるＡｌ組成比ＣＡｌは、第１導電層Ｅ１から第２導電層Ｅ２への向きにおいて上昇しても良い。例えば、第２部材１２は、Ａｌ、Ｇａ及びＮを含む。第２部材１２の少なくとも一部におけるＡｌ組成比ＣＡｌは、第２導電層Ｅ２から第１導電層Ｅ１への向きにおいて上昇しても良い。
図５（ａ）〜図５（ｄ）に例示した第１部材１１に関する構成は、第２部材１２に適用されても良い。
（第２実施形態）
第２実施形態は、発電素子の製造方法に係る。第１実施形態に係る発電素子１１０または１１１は、例えば、本製造方法により製造できる。
図６（ａ）〜図６（ｅ）は、第２実施形態に係る発電素子の製造方法を例示する模式的断面図である。
図６（ａ）に示すように、基体５０ｓの上に第１膜１１Ｆを形成する。第１膜１１Ｆは、第１部材１１及び第２部材１２の少なくともいずれかとなる。この例では、第１膜１１Ｆは、中間膜４０、第２膜４２及び第１膜４１を含む。基体５０ｓと第１膜４１との間に中間膜４０が設けられる。中間膜４０と第１膜４１との間に第２膜４２が設けられる。
基体５０ｓとして、例えば、Ｓｉ基板、Ａｌ２Ｏ３基板、または、ＳｉＣ基板などが用いられる。中間膜４０は、例えば、不純物濃度が低いＡｌＮ膜である。第２膜４２は、第２領域ｒ２となる。第１膜４１は、第１領域ｒ１となる。第２膜４２は、例えば、ｎ形不純物を含むＡｌＮ膜である。第１膜４１は、例えば、ｎ形不純物を含むＡｌＧａＮ膜である。第１膜４１と第２膜４２との間に、別の膜が設けられても良い。別の膜は、例えば、第３領域ｒ３などになっても良い。
第１膜１１Ｆは、例えば、有機金属気相法（ＭＯＣＶＤ）などにより、結晶成長される。第１膜１１Ｆは、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）などによる結晶成長により形成されても良い。
基体５０ｓの上に設けられた第１膜１１Ｆは、例えば、窒化物半導体の結晶である。第１膜１１Ｆの表面（上面）は、例えば、＋ｃ面となる。第１膜１１Ｆの下面（基体５０ｓの側の面）は、−ｃ面となる。
図６（ｂ）に示すように、第１膜１１Ｆの上に、導電層Ｅ０を形成する。導電層Ｅ０は、第１導電層Ｅ１及び第２導電層Ｅ２の少なくともいずれかとなる。導電層Ｅ０は、例えば、Ｍｏ及びＷからなる群から選択された少なくともいずれかを含む。導電層Ｅ０は、例えば、蒸着により形成される。例えば、導電層Ｅ０は、ウェーハ状の、ＭｏまたはＷでも良い。この場合、導電層Ｅ０は、例えば、第１膜１１Ｆと接合される。
図６（ｃ）に示すように、基体５０ｓを除去する。さらに、中間膜４０を除去する。
図６（ｄ）に示すように、第１膜４１から第１領域ｒ１が得られ、第２膜４２から第２領域ｒ２が得られる。
第１膜１１Ｆの表面は、例えば、−ｃ面となる。このような、導電層Ｅ０及び第１膜１１Ｆを含む構造体を複数用意する。複数の構造体の１つにおいて、導電層Ｅ０が第１導電層Ｅ１となり、第１膜１１Ｆが第１部材１１となる。複数の構造体の別の１つにおいて、導電層Ｅ０が第２導電層Ｅ２となり、第１膜１１Ｆが第２部材１２となる。
図６（ｅ）に示すように、第１部材１１と第２部材１２とが互いに対向するように、第１部材１１及び第２部材１２が互いに組み合わされる。これにより、実施形態に係る発電素子１１０が作製される。
図７（ａ）及び図７（ｂ）は、実施形態に係る発電モジュール及び発電装置を示す模式図的断面図である。
図７（ａ）に示すように、実施形態に係る発電モジュール２１０においては、第１実施形態に係る発電素子１１０を含む。この例では、基板１２０の上において、複数の発電素子１１０が並ぶ。発電素子１１０の代わりに、発電素子１１１が用いられても良い。
図７（ｂ）に示すように、実施形態に係る発電装置３１０は、上記の発電モジュール２１０を含む。複数の発電モジュール２１０が設けられても良い。この例では、基板２２０の上において、複数の発電モジュール２１０が並ぶ。
図８（ａ）及び図８（ｂ）は、実施形態に係る発電装置及び発電システムを示す模式図である。
図８（ａ）及び図８（ｂ）に示すように、実施形態に係る発電装置３１０（すなわち、第１実施形態に係る発電素子１１０または発電モジュール２１０）は、太陽熱発電に応用できる。
図８（ａ）に示すように、例えば、太陽６１からの光は、ヘリオスタット６２で反射し、発電装置３１０（発電素子１１０または発電モジュール２１０）に入射する。光は、第１導電層Ｅ１及び第１部材１１の第１温度Ｔ１を上昇させる。第１温度Ｔ１が第２温度Ｔ２よりも高くなる。熱が、電流に変換される。電流が、電線６５などにより送電される。
図８（ｂ）に示すように、例えば、太陽６１からの光は、集光ミラー６３で集光され、発電装置３１０（発電素子１１０または発電モジュール２１０）に入射する。光による熱が、電流に変換される。電流が、電線６５などにより送電される。
例えば、発電システム４１０は、発電装置３１０を含む。この例では、複数の発電装置３１０が設けられる。この例では、発電システム４１０は、発電装置３１０と、駆動装置６６と、を含む。駆動装置６６は、発電装置３１０を太陽６１の動きに追尾させる。追尾により、効率的な発電が実施できる。
実施形態に係る発電素子１１０または１１１などを用いることで、高効率の発電が実施できる。
実施形態によれば、効率を向上できる発電素子、発電モジュール、発電装置及び発電システムが提供できる。
なお、本明細書において「窒化物半導体」とは、ＢｘＩｎｙＡｌｚＧａ１−ｘ−ｙ−ｚＮ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）なる化学式において組成比ｘ、ｙ及びｚをそれぞれの範囲内で変化させた全ての組成の半導体を含むものとする。またさらに、上記化学式において、Ｎ（窒素）以外のＶ族元素もさらに含むもの、導電形などの各種の物性を制御するために添加される各種の元素をさらに含むもの、及び、意図せずに含まれる各種の元素をさらに含むものも、「窒化物半導体」に含まれるものとする。
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、発電素子に含まれる導電層、部材及び端子などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
その他、本発明の実施の形態として上述した発電素子、発電モジュール、発電装置及び発電システムを基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての発電素子、発電モジュール、発電装置及び発電システムも、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、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とその均等の範囲に含まれる。
１１…第１部材、 １１Ｆ…第１膜、 １１ａ…第１面、 １２…第２部材、 １２ａ…第２面、 ２０…空隙、 ２１…スペーサ、 ３０…負荷、 ４０…中間膜、 ４１…第１膜、 ４２…第２膜、 ５０ｓ…基体、 ５１…電子、 ６１…太陽、 ６２…ヘリオスタット、 ６３…集光ミラー、 ６５…電線、 ６６…駆動装置、 ７０…容器、 ７１、７２…第１、第２端子、 １１０、１１１…発電素子、 １２０…基板、 ２１０…発電モジュール、 ２２０…基板、 ３１０…発電装置、 ４１０…発電システム、 ＣＡｌ…Ａｌ組成比、 ＣＣ…キャリア濃度、 Ｅ０…導電層、 Ｅ１…第１導電層、 Ｅ２…第２導電層、 Ｅｎ…エネルギー、 Ｊｔ…電流密度、 Ｍ１、Ｍ２…第１、第２モデル、 Ｔ１、Ｔ２…第１、第２温度、 ａ１、ａ２…値、 ｐ１〜ｐ３…第１〜第３対向領域、 ｐＺ…位置、 ｒ１〜ｒ３…第１〜第３領域、 ｔ１〜ｔ３…厚さ

Claims (18)

  1. 第１導電層と、
    第２導電層と、
    前記第１導電層と前記第２導電層との間に設けられた第１部材と、
    前記第１部材と前記第２導電層との間に設けられ前記第１部材から離れた第２部材と、
    を備え、
    前記第１部材は、
    Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ（０≦ｘ１＜１）を含む第１領域と、
    Ａｌｘ２Ｇａ１−ｘ２Ｎ（ｘ１＜ｘ２≦１）を含み前記第１領域と前記第２部材との間に設けられた第２領域と、
    を含み、
    前記第１部材の＜０００−１＞方向は、前記第１導電層から前記第２導電層への向きの成分を有し、
    前記第１部材は、Ａｌ ｘ３ Ｇａ １−ｘ３ Ｎ（ｘ１＜ｘ３＜ｘ２）を含む第３領域をさらに含み、
    前記第３領域は、前記第１領域と前記第２領域との間に設けられた、発電素子。
  2. 前記第１部材は、前記第２部材に対向する第１面を有し、
    前記第１面は、（０００−１）面である、請求項１記載の発電素子。
  3. 前記第１部材は、Ａｌ、Ｇａ及びＮを含み、
    前記第１部材の少なくとも一部におけるＡｌ組成比は、前記第１導電層から前記第２導電層への前記向きにおいて上昇する、請求項１または２に記載の発電素子。
  4. 前記第２部材は、
    Ａｌｙ１Ｇａ１−ｙ１Ｎ（０≦ｙ１＜１）を含む第１対向領域と、
    Ａｌｙ２Ｇａ１−ｙ２Ｎ（ｙ１＜ｙ２≦１）を含み前記第１対向領域と前記第１部材との間に設けられた第２対向領域と、
    を含み、
    前記第２部材の＜０００−１＞方向は、前記第２導電層から前記第１導電層への向きの成分を有する、請求項１または２に記載の発電素子。
  5. 第１導電層と、
    第２導電層と、
    前記第１導電層と前記第２導電層との間に設けられた第１部材と、
    前記第１部材と前記第２導電層との間に設けられ前記第１部材から離れた第２部材と、
    を備え、
    前記第１部材は、
    Ａｌｘ１Ｇａ１−ｘ１Ｎ（０≦ｘ１＜１）を含む第１領域と、
    Ａｌｘ２Ｇａ１−ｘ２Ｎ（ｘ１＜ｘ２≦１）を含み前記第１領域と前記第２部材との間に設けられた第２領域と、
    を含み、
    前記第１部材の＜０００−１＞方向は、前記第１導電層から前記第２導電層への向きの成分を有し、
    前記第２部材は、
    Ａｌ ｙ１ Ｇａ １−ｙ１ Ｎ（０≦ｙ１＜１）を含む第１対向領域と、
    Ａｌ ｙ２ Ｇａ １−ｙ２ Ｎ（ｙ１＜ｙ２≦１）を含み前記第１対向領域と前記第１部材との間に設けられた第２対向領域と、
    を含み、
    前記第２部材の＜０００−１＞方向は、前記第２導電層から前記第１導電層への向きの成分を有する、発電素子。
  6. 前記第２部材は、前記第１部材に対向する第２面を有し、
    前記第２面は、（０００−１）面である、請求項４または５に記載の発電素子。
  7. 前記第２部材は、Ａｌｙ３Ｇａ１−ｙ３Ｎ（ｙ１＜ｙ３＜ｙ２）を含む第３対向領域をさらに含み、
    前記第３対向領域は、前記第１対向領域と前記第２対向領域との間に設けられた、請求項４〜６のいずれか１つに記載の発光素子。
  8. 前記第２部材は、Ａｌ、Ｇａ及びＮを含み、
    前記第２部材の少なくとも一部におけるＡｌ組成比は、前記第２導電層から前記第１導電層への前記向きにおいて上昇する、請求項４〜６のいずれか１つに記載の発電素子。
  9. 前記第１領域は、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｅ及びＳｎよりなる群から選択された少なくとも１つの元素を含む、請求項１〜８のいずれか１つに記載の発電素子。
  10. 前記第２領域における前記元素の濃度は、前記第１領域における前記元素の濃度よりも高い、請求項９記載の発電素子。
  11. 前記第１領域におけるキャリア濃度は、前記第２領域におけるキャリア濃度よりも高い、請求項１〜１０のいずれか１つに記載の発電素子。
  12. 前記ｘ２は、０．８以上である、請求項１〜１１のいずれか１つに記載の発電素子。
  13. 前記第２部材の少なくとも一部は、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｅ及びＳｎよりなる群から選択された少なくとも１つを含む、請求項１〜１２のいずれか１つに記載の発電素子。
  14. 前記第１部材は、前記第１導電層と電気的に接続され、
    前記第２部材は、前記第２導電層と電気的に接続された、請求項１〜１３のいずれか１つに記載の発電素子。
  15. 前記第１部材の温度が第２部材の温度よりも高いときに、
    前記第１部材から電子が放出され、
    前記電子は、前記第２部材に到達する、請求項１〜１４のいずれか１つに記載の発電素子。
  16. 請求項１〜１５のいずれか１つに記載の前記発電素子を複数備えた発電モジュール。
  17. 請求項１６記載の前記発電モジュールを複数備えた発電装置。
  18. 請求項１７記載の発電装置と、
    駆動装置と、
    を備え、
    前記駆動装置は、前記発電装置を太陽の動きに追尾させる、発電システム。
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