JPH04171681A

JPH04171681A - 光化学２次電池及び光化学２次電池の製造方法

Info

Publication number: JPH04171681A
Application number: JP30026890A
Authority: JP
Inventors: Takaharu Akuto; 阿久戸　敬治; Yoshiaki Hasuda; 蓮田　良紀; Maki Ishizawa; 真樹石沢; Toshio Horie; 堀江　利夫
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1990-11-06
Filing date: 1990-11-06
Publication date: 1992-06-18
Anticipated expiration: 2015-03-27
Also published as: JP3025798B2

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、充放電可能な２次電池に係わり、光エネルギ
ーで充電することが可能な２次電池に関するものである
。

〔従来技術とその課題〕

太陽可視光等の光エネルギーで２次電池を充電する試み
は、以前からなされており、この種の電池としては、ア
モルファスンリコン太陽電池とニッケルーカドミウム蓄
電池や鉛蓄電池等の２次電池を組合せた太陽光蓄電池が
知られている。第９図は従来の光２次電池の外観図を示
したものであり、また、第１Ｏ図は第９図に示した電池
の等価回路図を示したものである。この従来型光２次電
池は、太陽電池１４で発電して得られた電力を蓄電池１
５に貯蔵する二段階型（間接型）の光２次電池であり、
電圧調整回路１６や逆流防止回路１７が太陽電池１４と
蓄電池１５との間に設ける必要があるなど、電池の構造
が複雑で大きなものとなるといった欠点を有している。

またこのような電池を適正に機能させるには、太陽電池
１で発電した電力を、電圧調整回路Ｉ６により蓄７ｖＬ
／ｌｉ！＋５を充電するのに適した電圧に調整する必要
があり、その為のエネルギー損失も大きなものとなって
いる。−そしてエネルギー変換ステップは、光→電気−
電気化学の３段階の形態のエネルギー変換を経るといっ
た問題も有している。さらに太陽電池ｌを製造するには
、ｐｎ接合設備等の比較的高度の製造設備が必要となる
等、製造上の困難性も有している。

一方、半導体電極を電解質と接触させた時に生じるエネ
ルギーバンドの曲りを利用して、光エネルギーを電気エ
ネルギーに変換する光化学電池についても、既に多くの
検討が進められている。しかしこれらの電池は、一般に
湿式太陽電池と呼ばれるものであり、第１１図に示した
ように、半導体の光電極１の表面で生した電気化学酸化
物は、対極１８の表面で即座に還元され、電解質１４は
常に初期の状態に保たれる構造であり、当然のことなが
ら２次電池としての蓄電機能はない。また、第１２図に
示したように、第１＋図の電池と同様の原理を応用して
光エネルギーにより水溶液電解質４から酸素および水素
を製造する試みもなされている。ここで製造した酸素と
水素を燃料電池のエネルギー源として利用することは可
能であるが、本電池自身に２次’ＱｔＭとしての機能が
ｌｊ＋ろ訳てはない５゜本発明の目的は、光ニー、ネルギーを直接電気化学エネ
ルギーに変換かつ蓄積し、さらにそのユ、ネルキーを必
要な時に取り出し得る走化＝”４２．９＜電池、ずなね
り構造および製造か簡単で、光に５１−〇充電可能な２
次電池を提供するごとにある。。

〔課題を解決するための手段〕　、本発明の光化学２次電池は、少なくとしその一面が電解
質中に浸漬され）−ｎ型゛１−導体か、”、八ろ電極と
、−に記電解質中に浸漬さイ１、かす１．記）し極と電
気的に接続された負極と、ごの負極とセパレータを介し
て上記電解質中に浸漬さ朝、かっ＋、記光光極電気的に
絶縁された正極とを具備してなることを解決手段とした
。

以下、本発明の詳細な説明４ろ。

本発明は、半導体と電解’、＆ｆ　Ｗ　Ｉｌｌ！　ｒ／
：）電気（ヒ学特性〜５− を利用して、光エネルギーにより直接電気化学的な物質
変化を起こさせ、かつその物質を蓄積（充電）し、必要
な時に放電できる電池を提供したことを最大の特徴とし
ている。これを実現する為、本発明は、従来の技術とは
以下の点で異なる。即ち、■電解質中に電極（半導体電
極）を浸漬するのみで、太陽電池等のｐｎ接合における
と同様のエネルギーバンド曲りを作った。また、負極、
また正極を電極と直接電気接続し、かつ２次電池の一方
の極である正極、または負極を電極の近傍に配置した構
造とし、これにより電極と、これと電気接続された正極
または負極との間の光による充電反応、および正極と負
極との間の放電反応を一つの電池の中で実現した。■比
較的電圧の高い２次電池を実現する為、ｐ型光極の負極
、ｎ型電極と正極とを電気接続し、かつｐ型光極と正極
、およびｎ型電極と負極とを近傍配置した構造とし、こ
れらのすべての電極を同一電解質に接触させ光化学２次
電池を構成した。■光による変換（充電）効率を向上さ
せる為、強誘電性半導体を電極とし、予め、光極表面に
垂直に電場を印加した後、該電場を取払い電池を構成す
る。これにより、外部電場を取除いた後も分極面構造は
保持され、光による光極中の励起電子とホールの分離効
率を向上させることができ、結果として、本発明電池の
充電効率を向上させることができる。■光電極を、製造
が比較的容易な有機半導体である縮合多環芳香族化合物
で構成する。

〔実施例　〕

第１（８）および第２図は、本発明の第１の実施例を説
明する図であって、符号ｌはｎ型半導体よりなる光極で
ある。符号２および３は、それぞれ正極および負極、符
号４は電解質、符号５はセパレータ、符号６および７は
、正極端子および負極端子、符号８は接続導線、符号９
は電池ケース（容器）である。ここで光極ｌと負極３は
接続導線８によって電気的に接続さ〆ｔでおり、電解質
４　ｉＪ光光極と正極２と負極３とに接触している。以
下に本実施例におυる充放電時の動作を簡Φに説明する
。電解質４との接触界面において、光極Ｉのニー７＝ネルギーバンドは電解質４側へ向って上方面りとなる。

今、この光極ｌの表面へ太陽や蛍光燈等の光エネルギー
が照射されると、光極ｌのエネルギーバンドの伝導帯に
電子が励起され、価電子帯にホールが生じる。このホー
ルは上記バンドの曲りに添って電解質４側へ運ばれ、光
極ｌの表面で電気化学酸化反応を生起する。伝導帯に励
起された電子は接続導線８を通って負極３の表面に達し
、そこで電気化学還元反応を行わしめる。その結果、光
極ｌの近傍には酸化生成物が、負極３の近傍には還元生
成物がそれぞれ蓄積されて２次電池の充電反応が進行す
る。一方、放電時には、負極３の表面で酸化反応が進行
し、この時化じた電子が正極端子６および負極端子７に
繋がれた負荷に供給され、充電時に光極ｌの表面で生じ
た酸化生成物は、この電子によって正極２の表面で還元
される。

このように本発明の光化学２次電池におけるエネルギー
変換形態は光→電気化学エネルギーへの直接変換であり
、また電圧調整回路等乙不要であるので、従来のものに
比べて変換効率の大幅な向上と、電池構造の簡易化、小
形化をはかることができる。

第３図および第４図は、いずれも本発明の第２の実施例
を説明する図であって、符号ｌがｐ型半導体よりなる光
極であることと、光極ｌと正極２とが接続導線８によっ
て電気的に接続されていることを除けば、他の構成は第
１図および第２図に示した本発明のの第１の実施例と全
く同様の構成である。

第５図および第６図は、いずれも本発明の第３の実施例
を説明する図である。この例が第１の実施例と異なると
ころは光極１をｎ型半導体よりなる第１の光極１０と、
ｐ型半導体よりなる第２の光極１１とに分割するとと乙
にこれら第１の光極１０と第２の光極１１とを絶縁体層
１２によって絶縁状態とした点である。さらに、第１の
光極ｌＯと第２の光極１１とは同−平面」二に配置され
第１の光極１０は負極３と、第２の光極１１は正極２と
、それぞれ接続導線８と１３とによって電気的に接続さ
れている。

また第１図ないし第６図に示した例は、いずれも光極ｌ
の受光面が電解質４と接触しない実施例であるが電解質
４が透明であり、光エネルギーの減衰が殆ど無視できる
程度であれば、第８図に第２図を参照して例示する如く
受光面が電解質４と接触し、電池反応面として作用する
構造とすることもできる。この場合にも、上記事情は全
く同じであり、光極ｌと電解質４との接触面積が増大す
る為、変換効率の向上を期待することができる。

このような構造は第３図ないし第６図に示した例の場合
に適用しても同様の機能と効果を奏する。

上記いずれの実施例においても光極ｌはＧａＰ。

ＧａＡｓ　、Ａ　ＩＡｓ　、　ＺｎＳ、　ＡｌＳｂ、　
ＩｎＰ、　ＣｄＳ、　ＧａＳｂ、　ｌ　ｎＡｓ　、　Ｚ
ｎＴｅ、　ＳｉＣ，ＢａＴｉ０＋　、　Ｔｉ１３．　Ｚ
ｎＯ，ＡｇｔＳ、　ＡｇｔＳｅ、　ＡｇｔＴｅ、　Ｓｎ
Ｏ，、Ｔｈｅ、　。

Ｖ２Ｏ５，ＮｂｔＯｓ、、ＴａｔＯｓ、ＢｉｔＳ３．　
Ｍｏ０３ＪＯｓ、　ＮａＸＷＯ３，ＬｊｘＶＯ３，Ｋｘ
ＷＯ＋　（以上、Ｘ＝　０−１）　　、Ｍｎ０ｙ、Ｆｅ
５３．ＩＩｇＳｅ。

Ｂｉ２Ｓｅ３．ＰｂＣｒ０ａ、ＰｂＯｘ　（ｘ＝０−２
）　、ＣｄＳｅ、Ｐｂ５ｅ　（ｘ＞０．１）　、５ｂｔ
Ｔｅ：＋、ＣｒｔＯ＊、ＭｎＯ３，Ｆｅ０ｘ（ｘ＜　１
）、ＦｅＳ、Ｎ＋Ｏ。

ＣｏＯ，Ｐｒ、Ｏｓ、Ｃｕｌ、ＡｇｔＯ，ＳｎＳ、Ｍｏ
０ｔ、Ｂ＋Ｊｓ等の化合物半導体、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｓｅ等
の無機半導体、アントラセン、ＩＯ− テトラセノ、ペンタセン、ピレン、ペリレン、アンザン
スレン、オバレン、コロネン、ビオランスレン、イソビ
オランスレン、ピランスレン、アンサンスロン、ビオラ
ンスロン、イソビオランスレン、ピランスレン、ノアナ
ンスロン、イソダンスロンブラック、フラバンスロン、
インダンスロン、フタロンアニン、銅フタロシアニン、
石墨等ノ縮合多環芳香族化合物、ポリアセチレン、ポリ
アニリン、ポリパラフェニレン、ポリチイオフェン、ポ
リピロール等の高分子、および強誘電性を有するＰｂＺ
ｒｏ　３Ｔｉｏ　７０３に代表されるＰｂＺｒ　Ｔ＋＋
−０３、ｐｂ＋−Ｌ　Ｎｂ０ａ　（Ｘ＝　Ｏ〜１、Ｍ＝
に、Ｎａ等のアルカリ金属）などから構成されろ。また
電解質４は、アセトニトリル、プロピレンカーボネイト
等の非水溶媒、水酸化カリウム、水酸化すトリウム等の
塩基、硫酸、酢酸等の酸、おにびフェロシアン化カリウ
ム／フェリンアン化カリウム等の酸化還元溶液、」ｊよ
びこれらの混合溶液等から構成される。電池ケース　（
容器）９は八Ｂ　Ｓ樹脂やふっ素樹脂等こシ１らの電解
質に侵されない材質の乙のであれば特に限定されない。

電池ケース９の受光面部分は光極ｌが電池ケース９を兼
ねろか、透明なケース飼料で構成される。接続導線８お
よび１３は表面が電解質４に侵されない絶縁被覆された
銅線等で構成される。また、正極２および負極３は、白
金、パラジウム、鉄、ナトリウム、錫、銅、炭素、ニッ
ケル、亜鉛、鉛、カドミウム、リチウムおよびそれらの
酸化物等で構成される。

このように、第１の実施例ないし第３の実施例に示した
構造とすることによって、従来の技術に比べて、遥かに
簡単な構造で、かつ変換効率の高い光による充電が可能
な２次電池を提供することができる。

〔発明の効果〕

以」二説明したように、本発明では、電解質中に光極（
半導体電極）を浸漬することで形成されろエネルギーバ
ンド曲りを利用して、先エネルギーー電気化学エネルギ
ーへの変換を行うとと乙に、負極、まんは正極を光極と
直接電気接続し、かつ２次電池の一方の極である正極ま
たは負極を光極の近傍に配置した構造どし、これに上り
光極と、これと電気接続された正極または負極との間の
光による充電反応、および正極と負極との間の放電反応
を一つの電池の中で実現した。これにより従来の太陽電
池と２次電池の組合せにＪ−ろ光２次電池においては不
可欠であった電圧調整回路を不要とし電池構造を簡略化
するこ・とができ、かくして製造が簡単になるという極
めて大きな効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図および第２図（Ｊ、いケれム本発明の第１の実施
例を示したものであって第１図は概略斜視図、第２図は
、第１図の■−１線断面視図、第３図および第４図は、
いずれｂ本発明の第２の実施例を示したものであって第
３図（」概略斜視図、第４図は第３図のＩＶ−ＩＶ線断
面視図、第５図および第６図は、いずれも本発明の第３
の実施例を示した乙のであって第５図（Ｊ概略斜視図、
第６図は第５図のＶｌ−Ｖｌ線断面視図１第７図ｒｊよ
び第８図（」、いずれも本発明の第４の実施例を示しに
ものてあ−）で第７図は概略斜視図、第８図は第７図の
■−■−１；ト線断面視図、第９図は、従来の２次？Ｊｉ池の概略斜視
図、第１０図は、第９図に示した２次電池の等価回路図
、第１１図は従来技術である再生型湿式太陽電池の概略
構成図、第１２図は光による酸素水素生成型電池の概略
構成図である。１・・光極、２・・・正極、３・・負極、４・・電解質
、５・・セパレータ、９　ケース、ｌＯ・第１の光極、
１１　　第２の光極、Ｉ２・・絶縁体層。

Claims

【特許請求の範囲】

（１）少なくともその一面が電解質中に浸漬されたｎ型
半導体からなる光極と、上記電解質中に浸漬され、かつ上記光極と電気的に接続
された負極と、この負極とセパレータを介して上記電解質中に浸漬され
、かつ上記光極と電気的に絶縁された正極とを具備して
なることを特徴とする光化学２次電池。
（２）少なくともその一面が電解質中に浸漬されたｐ型
半導体からなる光極と、上記電解質中に浸漬され、かつ上記光極と電気的に接続
された正極と、この正極とセパレータを介して上記電解質中に浸漬され
、かつ上記光極と電気的に絶縁された負極とを具備して
なることを特徴とする光化学２次電池。
（３）少なくともその一面が電解質中に浸漬されたｎ型
半導体からなる第１の光極と、少なくともその一面が電解質中に浸漬されたｐ型半導体
からなる第２の光極と、上記電解質中に浸漬され、かつ上記第１の光極と電気的
に接続されるとともに上記第２の光極と絶縁された負極
と、この負極とセパレータを介して上記電解質中に浸漬され
、かっ上記第２の光極と電気的に接続されるとともに上
記第１の光極と絶縁された正極とを具備してなることを
特徴とする光化学２次電池。
（４）電解質中に光極を完全に浸漬したことを特徴とす
る請求項１、請求項２または請求項３記載の光化学２次
電池。
（５）光極が強誘電体からなることを特徴とする請求項
１、請求項２、請求項３または請求項４記載の光化学２
次電池。