特開 2017-228675 車両用照明装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2017-228675(P2017-228675A)

(43)【公開日】2017年12月28日

(54)【発明の名称】車両用照明装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 37/00 20060101AFI20171201BHJP

   F21S 8/10 20060101ALI20171201BHJP

   B60Q 1/26 20060101ALI20171201BHJP

   H02N 11/00 20060101ALI20171201BHJP

   F21W 101/10 20060101ALN20171201BHJP

   F21W 101/12 20060101ALN20171201BHJP

   F21Y 115/10 20160101ALN20171201BHJP

   F21Y 115/15 20160101ALN20171201BHJP

【ＦＩ】

   H01L37/00

   F21S8/10 400

   B60Q1/26 A

   F21S8/10 310

   F21S8/10 371

   H02N11/00 A

   F21W101:10

   F21W101:12

   F21Y115:10

   F21Y115:15

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】22

(21)【出願番号】特願2016-124268(P2016-124268)

(22)【出願日】2016年6月23日

(71)【出願人】

【識別番号】500073630

【氏名又は名称】株式会社日経ビーピー

(74)【代理人】

【識別番号】110001782

【氏名又は名称】特許業務法人ライトハウス国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】黒川 太一

(72)【発明者】

【氏名】永井 孝範

(72)【発明者】

【氏名】長谷川 大二

【テーマコード（参考）】

3K243

3K339

【Ｆターム（参考）】

3K243EA01

3K243EA07

3K243EA08

3K243EB19

3K339AA02

3K339AA25

3K339AA32

3K339AA42

3K339BA01

3K339BA02

3K339BA04

3K339BA06

3K339BA07

3K339BA08

3K339BA12

3K339CA01

3K339CA02

3K339CA12

3K339CA22

3K339CA24

3K339DA01

3K339DA02

3K339DA06

3K339EA09

3K339GB01

3K339GB02

3K339GB03

3K339GB21

3K339HA02

3K339JA02

3K339JA21

3K339JA26

3K339MC41

3K339MC78

(57)【要約】

【課題】
本発明は、車載バッテリ以外の電力供給手段を利用して発光させることが可能であり、消灯を忘れても車載バッテリが上がってしまうことを防止でき、従来よりも軽量である車両用照明装置を提供することを目的とする。
【解決手段】
本発明は、分子の振動エネルギーを電気エネルギーに変換する発電部と、発電部で発電された電力により発光する光源とを備えた車両用照明装置に関する。本発明は、さらに、発電部が、車両のエンジンルーム内、又はエンジンルーム近傍に設けられている車両用照明装置であることが好ましい。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

熱エネルギーで発電する発電部と、発電部で発電された電力により発光する光源とを備えた車両用照明装置。

【請求項2】

発電部が、熱エネルギーを分子の振動エネルギーに変換可能であり、かつ、分子の振動エネルギーを電気エネルギーに変換可能である、請求項１に記載の車両用照明装置。

【請求項3】

光源が発する光を導光する導光体を備える、請求項１又は２に記載の車両用照明装置。

【請求項4】

発電部が、発電層を有する発電素子を含み、
発電層が、正極と負極との間に、発電補助材料と、半導体材料（α）と、荷電子帯の上端のエネルギー準位が半導体材料（α）の荷電子帯の上端のエネルギー準位より高く、かつ、伝導帯の下端のエネルギー準位が半導体材料（α）の伝導帯の下端のエネルギー準位よりも高い半導体材料（β）とを含む、請求項１〜３のいずれかに記載の車両用照明装置。

【請求項5】

発電部で発電された電力を蓄電する蓄電機構を備え、
光源が、蓄電機構から供給される電力によっても発光する、請求項１〜４のいずれかに記載の車両用照明装置。

【請求項6】

請求項１〜５のいずれかに記載の車両用照明装置を備えた、グリル。

【請求項7】

請求項１〜５のいずれかに記載の車両用照明装置の発電部が、エンジンルーム内、又はエンジンルーム近傍に設置された、車両。

【請求項8】

請求項１〜５のいずれかに記載の車両用照明装置の光源が、グリル近傍に設置された、車両。

【請求項9】

請求項１〜５のいずれかに記載の車両用照明装置を用いて、グリルを発光装飾する、発光装飾方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、熱エネルギーで発電する発電素子を用いた車両用照明装置に関する。

【背景技術】

【0002】

自動車等の車両用照明装置として、電飾部材や照明部材が知られている。電飾部材には、例えば、フロントグリル、バンパグリル、ナンバープレート、又はエンブレムなどを光らせて、それらの意匠性を向上させるものなどが挙げられる。照明部材には、例えば、ヘッドライト、スモールライト、ウィンカー、又はフォグライトなどが挙げられる。

【0003】

照明部材の設置態様は多くの車両で共通しているが、電飾部材の設置態様には種々のものが知られている。例えば、特許文献１には、フロントグリルの後方に遮熱板を配置して、遮熱板の後方に電飾部材となる灯体を配置することが開示されている。また、特許文献２には、フロントグリルの外縁部の形状に沿って、電飾部材となる発光部材を設置することが開示されている。

【0004】

上記のような車両用の電飾部材や照明部材の電力は、一般に、車載バッテリから供給されるものである。車載バッテリの電力は、エンジンを始動させたり、各種電装品に電力を供給したり、各種コンピュータ機器を制御したりすることにも使用されている。そのため、車載バッテリの電力量を充分に確保しておくことは重要である。車載バッテリの電力を充分に確保する観点からは、上記のような電飾部材や照明部材を発光させるために、車載バッテリの電力をできる限り用いないようにすることが望ましい。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１１−７３６６２号公報

【特許文献2】特開２０１５−２２０２０５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、特許文献１及び２に記載の電飾部材や従来の照明部材などは、車載バッテリ以外からの電力供給によって機能するように構成されているものではなく、車載バッテリの電力消費を抑制できるものではなかった。

【0007】

また、車載バッテリから電力供給を受ける場合は、電飾部材や照明部材の消灯を忘れたときに、車載バッテリが上がってしまうという問題があった。加えて、車載バッテリから電力供給を受ける場合は、電力供給用の配線のために、車両の重量が増加してしまうという問題もあった。また、一次電池や二次電池を別途設けて電力供給をする構成としても、車両の重量が増加してしまい、燃費の低下を招いてしまうという問題もあった。

【0008】

本発明は、上記課題を解決するものである。すなわち、本発明は、車載バッテリ以外の電力供給手段を利用して発光させることが可能であり、消灯を忘れても車載バッテリが上がってしまうことを防止でき、従来よりも軽量である車両用照明装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明は、以下の［１］〜［８］の態様に関する。

【0010】

［１］熱エネルギーで発電する発電部と、発電部で発電された電力により発光する光源とを備えた車両用照明装置。

【0011】

［２］発電部が、熱エネルギーを分子の振動エネルギーに変換可能であり、かつ、分子の振動エネルギーを電気エネルギーに変換可能である［１］に記載の車両用照明装置。

【0012】

［３］光源が発する光を導光する導光体を備える、［１］又は［２］に記載の車両用照明装置。

【0013】

［４］発電部が、発電層を有する発電素子を含み、
発電層が、正極と負極との間に、発電補助材料と、半導体材料（α）と、荷電子帯の上端のエネルギー準位が半導体材料（α）の荷電子帯の上端のエネルギー準位より高く、かつ、伝導帯の下端のエネルギー準位が半導体材料（α）の伝導帯の下端のエネルギー準位よりも高い半導体材料（β）とを含む、［１］〜［３］のいずれかに記載の車両用照明装置。

【0014】

［５］発電部で発電された電力を蓄電する蓄電機構を備え、
光源が、蓄電機構から供給される電力によっても発光する、［１］〜［４］のいずれかに記載の車両用照明装置。

【0015】

［６］［１］〜［５］のいずれかに記載の車両用照明装置を備えた、グリル。

【0016】

［７］［１］〜［５］のいずれかに記載の車両用照明装置の発電部が、エンジンルーム内、又はエンジンルーム近傍に設置された、車両。

【0017】

［８］［１］〜［５］のいずれかに記載の車両用照明装置の光源が、グリル近傍に設置された、車両。

【0018】

［９］［１］〜［５］のいずれかに記載の車両用照明装置を用いて、グリルを発光装飾する、発光装飾方法。

【発明の効果】

【0019】

本発明の車両用照明装置又は発光装飾方法によれば、車両用照明装置の発光のために車載バッテリの電力が消費されることを抑制することができる。また、車両用照明装置の消灯を忘れても、車載バッテリが上がってしまうことを防止することができる。加えて、車両用照明装置を従来よりも軽量化することができる。

【図面の簡単な説明】

【0020】

【図1】図１は、本発明の車両用照明装置に関する第一の実施形態の一例を示す模式的な構成図である。

【図2】図２（ａ）及び図２（ｂ）は、本発明の車両用照明装置に関する第二の実施形態の一例を示す模式的な構成図である。

【図3】本発明に用いる発電素子の一例を示す模式的な構成図である。

【図4】本発明に用いる発電素子の出力電圧及び出力電流を測定する試験装置の概略構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

本発明の車両用照明装置は、熱エネルギーで発電する発電部と、発電部で発電された電力により発光する光源とを備える。車両用照明装置としては、上述の通り、電飾部材や照明部材が挙げられる。電飾部材には、フロントグリル、バンパグリル、ナンバープレート、又はエンブレムなどを光らせるものなどが挙げられ、照明部材には、ヘッドライト、スモールライト、ウィンカー、又はフォグライトなどが挙げられる。

【0022】

本発明の車両用照明装置は、エンジンルーム内、又はエンジンルーム近傍に発電部を設置して用いることができる。上記構成の車両は、車載バッテリ以外の電力供給手段を利用して、車両用照明装置を発光させることができる。その結果、消灯を忘れても車載バッテリが上がってしまうことを防止することができるとともに、車載バッテリの消耗を抑制することもできる。

【0023】

また、本発明の車両用照明装置は、フロントグリルやバンパグリル（以下、単にグリルと総称することがある）の近傍に光源を設置して、グリルを発光装飾したり、グリルに設けられた自動車のエンブレムを発光装飾したりすることができる。上記構成の車両は、車載バッテリ以外の電力供給手段を利用して、車両前方の意匠性を高めることができる。

【0024】

以下、本発明の車両用照明装置について説明する。以下に説明する車両用照明装置は、本発明を実施するための形態の一つであり、本発明の趣旨に反しない限り、以下の実施の形態に限定されない。

【0025】

［第一の実施の形態］

【0026】

図１は、本発明の車両用照明装置に関する第一の実施形態の一例を示す模式的な構成図である。また、特に、グリル周辺を模式的に示したものである。

【0027】

図１において、横格子のルーバー１５を複数備えたグリル１４の後方に発光部１９を配置する形態を示している。該発光部１９は、図１のように、装飾部分であるグリル１４の全体と同等の範囲を後方から投光できるように設けられている。このような構成とすることで、ルーバー１５の格子の隙間が照らされて、グリル１４が発光装飾される。

【0028】

発光部１９は、光源１７と、該光源１７が発する光を導光する導光体１６とを備える。光源１７としては、ＬＥＤ、有機ＥＬ素子などの半導体発光素子や、電球など、公知の光源を用いることができる。中でも、ＬＥＤを用いることが省エネルギー化の観点から好ましい。

【0029】

導光体１６の種類は、特に限定されないが、例えば、アクリル樹脂などの透明樹脂を用いることができる。導光体１６に入射した光は、導光体１６の内面反射によって、入射方向とは異なる方向へ導かれる。導光体１６の表面に凹凸形状などの物理的な細工を施すことによって、所望の方向への投光が強化されるようにしてもよい。また、発光効率を高める観点から、導光体１６の後方側に反射板（不図示）を配置したり、導光体１６の前方側に拡散板（不図示）を配置したりしてもよい。加えて、導光体１６の側面に光源を設ける構成とすることによって、発光効率を高めたり、光源の省エネルギー化を図ったりすることができる。

【0030】

本発明において、上記光源１７は、発電部が発電した電力によって発光する。本発明の発電部に用いられる発電素子１は、熱エネルギーを分子の振動エネルギーに変換し、分子の振動エネルギーは電気エネルギーに変換する。そのため、熱エネルギーを得やすい環境に発電部を設置することにより、車載バッテリの電力を用いることなく、車両用照明装置を発光させることができる。

【0031】

発電部は、車載バッテリとは別に設けられるものであって、ボンネット内部の配線を考慮して任意の位置に設置することができる。発電部は、特に、車両のエンジンルーム内、又はエンジンルーム近傍に設けられていることが望ましい。エンジンルーム内、又はエンジンルーム近傍は、熱エネルギーを得やすい環境であるためである。図１では、発電部は、グリル１４の後方であってラジエータ（不図示）の前方に配置されている。

【0032】

なお、車両のエンジンルームは、車両の使用後も、ある程度の時間、熱を帯びているため、熱エネルギーを電力に変換して利用できる本発明の車両用照明装置は、車両の使用後も、ある程度の時間、発光し続けることが可能になる。

【0033】

発電部に用いる発電素子１の詳細な構成については、後述する。

【0034】

［第二の実施の形態］
図２（ａ）及び図２（ｂ）は、本発明の車両用照明装置に関する第二の実施形態の一例を示す模式的な構成図である。また、特に、グリル周辺を模式的に示したものである。

【0035】

図２（ａ）において発光部１９は、グリル１４を構成する横格子の複数のルーバー１５の格子の隙間を後方から照らせるように設けられている。図２（ｂ）は、図２（ａ）の発光部１９の一部を車体前方からみた模式図である。上記発光部１９は、グリル１４を構成するルーバー１５と同様の隙間を設けた基板１８に、光源１７としてＬＥＤを直線上に複数設けた構造である。このようにグリル１４の形状に沿って後方から投光することにより、グリル１４の後方に設けられるラジエータへの外気の取り込みが低減されることを抑制したり、排熱効率が低減されることを抑制したりすることができる。

【0036】

光源１７としては、第一の実施の形態と同様に、ＬＥＤ、有機ＥＬ素子などの半導体発光素子や、電球など、公知の光源を用いることができるが、ＬＥＤを用いることが省エネルギー化の観点から好ましい。

【0037】

上記光源１７は、発電部が発電した電力により発光する。発電部は、第一の実施の形態と同様、ボンネット内部の配線を考慮して任意の位置に設置することができるが、車両のエンジンルーム内、又はエンジンルーム近傍に設けられていることが望ましい。図２（ａ）では、発電部は、グリル１４の後方であってラジエータ（不図示）の前方に配置されている。

【0038】

発電部に用いる発電素子１の詳細な構成については、後述する。

【0039】

［その他の形態］
第一の実施の形態及び第二の実施の形態においては、いずれも横格子のルーバーから構成されるグリルの電飾について説明したが、電飾を施すグリルの形状は、特に限定されるものではなく、従来公知の形状である。例えば、縦格子又は横格子のルーバー、縦横格子、斜め格子、種々の組子、パンチング、ハニカム、網型などいずれも採用することができる。また、グリルの材質も特に限定されず、樹脂製のルーバーや、ルーバーの一部に金属製のエンブレムを配置したものなど、従来公知の材質を採用することができる。

【0040】

また、本発明の車両用照明装置を電飾部材として用いる場合の発光部の構成としては、グリル等を後方から照らすことができるものであれば、特に限定されない。光源からの光を、反射板等を用いて反射させて電飾等を希望する部材に照射するなど、間接的な照明方法も採用することができる。

【0041】

本発明の車両用照明装置を照明部材として用いる場合も、光源から直接投光したり、導光体や反射板等を経由して間接投光したりする構成とすることができる。

【0042】

本発明の車両用照明装置においては、発電能力に応じて蓄電機構を備えて、蓄電機構に余剰電力を貯蔵できるようにしてもよい。発電部において発電された電力を蓄電する蓄電機構は、二次電池を備えることが好ましい。このような構成とすることで、発電部における発電量が充分でない場合でも、車両用照明装置を発光させることができる。特に、冬季の夜間など、エンジン始動時にエンジンルームの温度が非常に低い場合でも、蓄電した電力により車両用照明装置を稼働させて、グリル等の意匠性を高めることが可能となる。また、車載バッテリの充電量が不足している場合に、蓄電機構を介して車載バッテリの電力を補助することもできる。なお、発電部で発電された電力を蓄電した蓄電機構から供給される電力によって、光源が発光するような場合も、その光源は、発電部で発電された電力によって発光するものであるといえる。

【0043】

本発明の車両用照明装置は、車載バッテリの充電状態を検知する検知手段や、車載バッテリの充電状態に応じて、該車載バッテリへの電力の供給量を制御する制御部を備えることが好ましい。本発明の車両用照明装置が上記検知手段と上記制御部とを備えることで、車載バッテリの充電状態に応じて、自動的に適切な電力を分配して供給することが可能となる。

【0044】

また、本発明の車両用照明装置は、例えば、光源への電力供給を開始又は停止するスイッチなどを備えていてもよい。このような構成を採用することで、例えば、昼間などグリルの発光が目立たない場合は、これらの発光を停止させることができる。また、発光を停止させたために余った電力を、蓄電機構の二次電池に蓄えることも可能となる。

【0045】

本発明の車両用照明装置の発電部に用いる発電素子は、熱により発電する原理であり、発電に伴い吸熱現象が起こる。したがって、発電素子が熱により発電しても、発電素子を設置したエンジンルームを昇温させることがなく、むしろ発電素子の発電によりエンジンルームの温度を下げることができる。

【0046】

以下、発電部に用いる発電素子について、図面を参照しつつ説明する。

【0047】

［発電素子］
発電部に用いる発電素子１は、例えば、図３に示すように、正極２と、ホール輸送層３と、発電層４と、負極５とがその順で配置された構造形態を有している。

【0048】

以下、発電部に用いる発電素子１の構成について説明する。

【0049】

（正極、負極）
正極２及び負極５は、導電性材料であり、正極２の仕事関数が負極５の仕事関数と同じか高い材料を用いる。正極２の仕事関数が負極５の仕事関数より高いことが好ましい。

【0050】

正極２としては、特に限定されないが、例えば、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）等の導電性酸化物材料、炭素材料、銅、銅合金、ＳＵＳ４３０等のステンレス鋼、錫めっき銅、白金、金、又はタングステンもしくはその酸化物などを用いることができる。正極２の材料は、仕事関数を考慮して決定することができ、負極５の材料の仕事関数よりも高いことが好ましい。例えば、負極５にアルミニウムを用いた場合、正極２の材料としては、負極５の材料より仕事関数が高く、安価に入手できるという観点から、インジウム錫酸化物、銅、又は炭素材料が好ましい。負極５にインジウム錫酸化物を用いた場合は、正極２の材料としては、負極５の材料より仕事関数が高いという観点から、白金、金、又はタングステンもしくはその酸化物が好ましい。また、正極２の材料は他の金属にコーティングした形で用いてもよい。

【0051】

負極５としては、特に限定されないが、例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、Ｍｇ−Ａｌなどのマグネシウム合金、銀、又は亜鉛などを用いることができる。負極５の材料は、仕事関数を考慮して決定することができ、正極２の材料の仕事関数よりも低いことが好ましい。例えば、正極２に銅又は炭素材料を用いた場合、負極５の材料としては、正極２の材料より仕事関数が低く、安価に入手できるという観点から、アルミニウム、又は亜鉛が好ましい。正極２に白金又は金を用いた場合は、負極５の材料としては、インジウム錫酸化物が好ましい。また、負極５の材料は他の金属にコーティングした形で用いてもよい。

【0052】

正極２及び負極５の形状は特に限定されず、発電素子１の形状に応じた形状に加工することができる。例えば、発電素子１が、平面配置型用の発電素子１である場合には、正極２と負極５が対向して配置され、正極２と負極５の間にホール輸送層３及び発電層４が設けられる。

【0053】

なお、この平面配置型の発電素子１は、複数の発電素子１の正極２と負極５とを順次、直列に接続することで直列配置型の発電素子複合体にする、或いは、複数の発電素子１の正極２と負極５とを順次、並列に接続することで並列配置型の発電素子複合体にすることができる。

【0054】

（ホール輸送層）
発電部に用いる発電素子は、正極２と発電層４との間に、ホール輸送層３を有することが好ましい。正極２と発電層４との間に、ホール輸送層３を有することによって、発電層４から正極２へのホールの取出しを安定化させ、発電効率を向上させることができ、また、逆電流が生じることを防止することができる。ホール輸送層３としては、ホール伝導が観測されるものであれば、特に限定されないが、例えば、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）、ポリ（３，４−エチレンジオキシチオフェン）−ポリ（ビニルスルホン酸）、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリ（ｐ−フェニレン）、ポリフルオレン、ポリ（ｐ−フェニレンビニレン）、ポリチエニレンビニレン、グラフェン、などのｐ型導電性高分子；ＭｏＯ_３、ＣｕＡｌＯ_２、ＣｕＧａＯ_２、ＬｉＮｉＯ_２などのｐ型金属酸化物を用いることが好ましい。これらの中でも、ホールの移動度が高く、安価に入手できるという観点から、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）又はＭｏＯ_３が好ましい。

【0055】

（電子輸送層）
図３には図示されていないが、発電部に用いる発電素子は、負極５と発電層４との間に、さらに電子輸送層を有することが好ましい。負極５と発電層４との間に電子輸送層の薄膜を設けることで、発電層４から負極５への電子の取出し効率を安定化させ、発電効率を向上させることができ、また、正孔が負極５側に流れることを防止できる傾向にある。電子輸送層に用いる材料としては、特に制限はないが、例えば、ｎ型半導体材料などを用いることができる。電子輸送層に用いる材料の具体例としては、例えば、フッ化リチウム、フッ化ナトリウム、フッ化セシウム、酸化アルミニウム、酸化スズ、酸化リチウム、酸化マグネシウム、又は酸化カルシウムなどが挙げられる。これらの中でも、化学的に安定であるという観点から、フッ化リチウム、酸化アルミニウム、又は酸化スズを用いることが好ましい。

【0056】

（発電層）
発電層４は、発電補助材料と、半導体材料（α）と、半導体材料（β）とを含んだ層である。発電層４では、例えば、発電補助材料が分子の振動エネルギー（熱エネルギー）を吸収することよって赤外線を放射し、その放射された赤外線を、半導体材料（α）及び半導体材料（β）のエネルギー準位の差を利用して電気エネルギーに変換することができる。

【0057】

発電補助材料は、振動エネルギーを赤外線に変換し放射することが可能な赤外線放射材料であることが好ましい。赤外線放射材料としては、特に限定されないが、赤外線の吸収強度の大きい物質、例えば、二酸化ケイ素、シリコーン、カーボン、又はフェライトなどを用いることが好ましい。赤外線の吸収強度が大きい物質は、赤外線の放射強度も大きいため、強い赤外線を放射することができ、発電効率が高くなる。上記の物質の中でも、特に、赤外線の吸収強度が大きく、また安価であるという理由から、二酸化ケイ素を用いることがより好ましい。なお、上記の赤外線放射材料は、１種単独もしくは２種以上を組み合わせて使用してもよい。

【0058】

赤外線の吸収強度は、赤外分光法、近赤外分光法、又はラマン分光法など公知の方法によって測定することができる。発電補助材料としては、例えば、近赤外分光法を用いて測定した場合、赤外領域（例えば、波数１２５００〜４０００ｃｍ^−１）において、吸光度が１以上となるピークを有することが好ましく、吸光度が１以上となるピークを有することがより好ましい。発電補助材料が、赤外領域において、吸光度が１以上となるピークを有する場合は、赤外線の吸収強度及び放射強度が大きくなるため、発電効率を向上させることができる。

【0059】

発電補助材料の平均粒径は、入手の容易さや組成物作製上の問題がない範囲で各種の大きさのものを選択することができるが、発電補助材料の平均粒径は、４ｎｍ以上であることが好ましい。また、発電補助材料の平均粒径は、１００ｎｍ以下であることが好ましく、４０ｎｍ以下であることがより好ましい。発電補助材料の平均粒径が４ｎｍ未満の場合は、赤外線放射材料としての特徴を示さなくなる傾向にあり、発電補助材料の平均粒径が１００ｎｍを超えると、発電補助材料の体積が大きくなるため、体積あたりの赤外線の吸収強度（放射強度）が低下し、発電効率が下がる傾向にある。なお、本明細書において、平均粒径とは一次粒子の平均粒径をいい、原料の段階では走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって測定することができ、組成物を構成した後も走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）によって測定することができる。

【0060】

発電層４には、発電補助材料から放射された赤外線を電気エネルギーに変換するために、半導体材料（α）及び半導体材料（β）が含まれる。半導体材料（β）は、荷電子帯の上端のエネルギー準位が半導体材料（α）の荷電子帯の上端のエネルギー準位より高く、かつ、伝導帯の下端のエネルギー準位が半導体材料（α）の伝導帯の下端のエネルギー準位よりも高い半導体材料が用いられる。半導体材料（α）の荷電子帯の上端と、半導体材料（β）の荷電子帯の上端とのエネルギー差は、２．０ｅＶ以下であることが好ましく、０．９ｅＶ以上であることがより好ましく、１．７ｅＶ以下であることがより好ましい。また、半導体材料（α）の伝導帯の下端と、半導体材料（β）の伝導帯の下端とのエネルギー差は、２．０ｅＶ以下であることが好ましく、０．９ｅＶ以上であることがより好ましく、１．７ｅＶ以下であることがより好ましい。

【0061】

発電部に用いる発電素子における発電のメカニズムは明らかではないが、半導体材料（α）が相対的に電子受容体のような役割を果たし、半導体材料（β）が相対的に電子供与体のような役割を果たすことで、赤外線の光エネルギーを電気エネルギーに変換するものと考えられる。具体的には、次のような現象が起こっていると推測される。

【0062】

半導体材料（α）及び半導体材料（β）それぞれの伝導帯及び荷電子帯のエネルギー差が、例えば、２．０ｅＶ以下であることにより、赤外線が半導体材料（α）又は半導体材料（β）に照射された場合、半導体材料（α）と半導体材料（β）との接合面において、半導体材料（β）の伝導帯に存在していた電子が半導体材料（α）の伝導帯へと移動し、半導体材料（α）の価電子帯に存在していたホールが半導体材料（β）の価電子帯へと移動し、電荷分離状態を形成する。そして、電子は半導体材料（β）よりもエネルギー準位が低い半導体材料（α）の伝導帯を移動して正極２へ流れ、ホールは半導体材料（β）の荷電子帯を移動して負極５へと流れることで、外部回路に電流が流れるものと思われる。

【0063】

発電補助材料が熱エネルギーを吸収した場合、その熱エネルギーは、最終的に、半導体材料（α）及び半導体材料（β）によって、電気エネルギーに変換される。このことを別の側面から見れば、発電補助材料、半導体材料（α）、及び半導体材料（β）を有する素子は、吸熱反応を行っていると捉えることもできる。従って、発電補助材料、半導体材料（α）、及び半導体材料（β）を有する素子は、例えば、電子機器などの冷却手段として用いることも可能である。

【0064】

半導体材料（α）は、化学的安定性や電子移動度が高いことから、二酸化スズが好ましい。半導体材料（α）に二酸化スズを用いた場合、半導体材料（β）としては、半導体材料（α）に比べてエネルギー準位が高く、また、正極２の材料より仕事関数が低いといった観点から、酸化チタン、酸化ニオブ、酸化タンタル、又は酸化亜鉛などが好ましい。上記した好ましい半導体材料（α）と、好ましい半導体材料（β）との組合せは、荷電子帯の上端同士及び伝導帯の下端同士のエネルギー差が２．０ｅＶ以下であるという条件、さらには、０．９ｅＶ以上で、１．７ｅＶ以下であるという条件を満たしている。なお、半導体材料（α）及び半導体材料（β）は、１種単独もしくは２種以上を組み合わせて使用してもよい。

【0065】

半導体材料（α）及び半導体材料（β）の平均粒径は、入手の容易さや組成物作製上の問題がない範囲で各種の大きさのものを選択することができるが、半導体材料（α）の平均粒径は、４ｎｍ以上であることが好ましい。また、半導体材料（α）の平均粒径は、１００ｎｍ以下であることが好ましく、１０ｎｍ以下であることがより好ましい。半導体材料（α）の平均粒径が４ｎｍ未満の場合は、半導体としての特徴を示さなくなる傾向にあり、半導体材料（α）の平均粒径が１００ｎｍを超えると、半導体材料（α）の体積が大きくなるため、体積あたりの発電効率が下がる傾向にある。

【0066】

発電層４の構造としては、特に限定されず、例えば、積層構造としてもよく、バルクヘテロジャンクション構造としてもよいが、発電効率を向上させるという観点からは、バルクヘテロジャンクション構造とすることが好ましい。

【0067】

赤外線の照射強度は、光源からの距離の二乗に反比例する。赤外線の照射強度の減衰を防止し、発電効率を向上させる観点からは、発電補助材料、半導体材料（α）、及び半導体材料（β）は、それぞれ粒子状のものを用いて、発電層４中に均一に分散させることが好ましく、発電層４中に最密充填構造又は最密充填構造に近い構造をとるように配列させることがより好ましい。

【0068】

発電補助材料、半導体材料（α）、及び半導体材料（β）を発電層４中に均一に分散させるためには、各粒子を溶媒中に分散させ、その分散液を遠心分離などの公知の方法を用いて固形分と液分を分離させ、その固形分を十分に洗浄して得られる粉末を用いて、発電層４を形成することが好ましい。分散させる溶媒としては、発電補助材料、半導体材料（α）、及び半導体材料（β）を溶解させないものであれば、特に制限はないが、安全に使用でき、また安価であることから、水を用いることが好ましい。

【0069】

また、発電層４を形成する際において、半導体材料（β）としては、上記したような金属酸化物の粒子そのものを直接、分散媒に添加するのではなく、加水分解などによって該金属酸化物を生成することが可能な金属酸化物の前駆体を添加しても良い。金属酸化物の前駆体としては、特に限定されないが、例えば、塩化チタン、塩化ニオブ、塩化タンタル、塩化亜鉛などの金属塩化物や、チタンアルコキシド、ニオブアルコキシド、タンタルアルコキシド、亜鉛アルコキシドなどの金属アルコキシドを用いることが好ましい。

【0070】

発電層４の全質量は、発電補助材料と半導体材料（α）と半導体材料（β）との和からなる。半導体材料（α）の含有量は、発電層４の全質量に対して、１質量％以上であることが好ましく、１０質量％以上であることがより好ましい。また、半導体材料（α）の含有量は、発電層４の全質量に対して、３０質量％以下であることが好ましく、２５質量％以下であることがより好ましい。半導体材料（α）の含有量が発電層４の全質量に対して１質量％未満の場合は、赤外線を十分に電力に変換することができず、発電効率が低下する傾向にあり、半導体材料（α）の含有量が３０質量％を超えても、それ以上の発電効率の向上は見られない傾向にある。同様に、半導体材料（β）の含有量は、発電層４の全質量に対して、１質量％以上であることが好ましく、５質量％以上であることがより好ましい。また、半導体材料（β）の含有量は、発電層４の全質量に対して、３０質量％以下であることが好ましい。半導体材料（β）の含有量が発電層４の全質量に対して１質量％未満の場合は、赤外線を十分に電力に変換することができず、発電効率が低下する傾向にあり、半導体材料（β）の含有量が３０質量％を超えても、それ以上の発電効率の向上は見られない傾向にある。

【0071】

また、半導体材料（α）及び半導体材料（β）の混合比（半導体材料（α）／半導体材料（β））は、特に限定されないが、質量比で、１／５以上であることが好ましく、２／１以下であることが好ましい。半導体材料（α）及び半導体材料（β）の混合比が上記の範囲にあることで、赤外線を電気エネルギーへと変換する効率が向上し、発電効率を向上させることができる傾向にある。

【0072】

発電層４の厚さは、発電素子１の作製方法によって異なり、特に限定されないが、例えば０．０５μｍ以上であることが好ましく、１０００μｍ以下であることが好ましい。発電層４の厚さが０．０５μｍ未満だと、短絡を起こしやすくなる傾向にあり、発電層４の厚さが１０００μｍを超えると、発電層４の内部抵抗が高くなる傾向にあり、また、電荷分離した電子とホールが再結合しやすくなることにより変換効率が下がる傾向にある。

【0073】

発電層４は、発電補助材料、半導体材料（α）及び半導体材料（β）の混合物によって形成された層であるが、本発明の効果を阻害しない範囲で、他の無機物や有機物を含んでいてもよい。

【0074】

［発電素子の作製方法］
発電素子１の作製方法は、特に限定されず、各種公知の方法で作製することができる。例えば、正極２上に、ｐ型導電性高分子を滴下又は塗布することで、ホール輸送層３を形成することができる。次いで、ホール輸送層３上に、発電補助材料、半導体材料（α）、及び半導体材料（β）を溶媒に均一に分散させた分散液を滴下又は塗布することで、発電層４を形成することができる。最後に、発電層４上に、真空蒸着やスパッタリング等の方法を用いて、負極５を形成することができる。

【0075】

こうして作製された発電素子１は、平面的な直列構造又は並列構造になるように接続することができる。複数の発電素子１を直列に接続して発電素子複合体を構成する場合、隣り合う発電素子の正極２と負極５とを、カシメ、圧接、ロウ付け等で接続して直列構造にすることができる。また、発電素子１を並列接続して発電素子複合体を構成する場合、長く延びる電極に、発電素子１の正極２と負極５とをそれぞれ、カシメ、圧接、ロウ付け等で接続して並列構造にすることができる。

【0076】

このような発電素子複合体は、複数の発電素子１を接続して１次元的（直列配置）又は二次元的（並列配置）に作製することができるが、厚さ方向に積層して三次元的な立体構造にすることもできる。

【0077】

発電素子１や発電素子複合体において、発電素子１に水分が侵入するのを避けることが好ましい。水分の侵入防止手段としては、周囲を封止材で充填したり、全体を封止材で覆ったりすることが好ましい。こうした水分の侵入防止手段により、発電素子１の発電電流値の低下を抑制することができる。

【0078】

従来のゼーベック効果を利用する熱電発電素子は、２種類の異なる金属又は半導体の両端に生じる温度勾配に比例して出力電圧が大きく変動する。そのため、例えば、熱源が１００℃以下であるような場合は、温度勾配も小さくなるため、大きな電流を発生させることが難しかった。他方、発電部に用いる上記発電素子によれば、発電補助材料が存在することにより、分子の振動エネルギー（熱エネルギー）を、半導体材料（α）及び半導体材料（β）のエネルギー準位の差を利用して電気エネルギーに変換することができる。それゆえ、発電部に用いる発電素子は、例えば、１００℃以下の温度帯においても、高い出力電圧及び出力電流を発生させることができる。

【0079】

以下に参考例を示して、本発明に用いる発電素子をさらに詳細に説明するが、本発明はこれらによって限定されるものではない。

【0080】

［二酸化ケイ素、酸化ニオブ、及び二酸化スズの混合粉末の調製］
（参考例１）
五塩化ニオブ（純正化学株式会社製）２５質量部をエタノール２００質量部に溶解させた。次に、該五塩化ニオブ・エタノール溶液２．５質量部と、二酸化ケイ素の２０％水分散体（日産化学工業株式会社製、「ＳＴ−Ｏ−４０」、平均粒径４０ｎｍ）１０質量部と、二酸化スズの２０％水分散体（ユニチカ株式会社製、酸化スズゾル「ＡＳ２０Ｉ」、平均粒径７ｎｍ）１．５質量部とを、混合し撹拌した。該混合水分散体中で、五塩化ニオブは加水分解され、酸化ニオブとなった。次に、得られた二酸化ケイ素粒子、酸化ニオブ粒子、及び二酸化スズ粒子を含む混合水分散体から、固形分を分離した。得られた固形分を十分に洗浄した後、１００℃で乾燥させることで、二酸化ケイ素粒子、酸化ニオブ粒子、及び二酸化スズ粒子からなる参考例１の混合粉末を得た。混合水分散体における二酸化ケイ素の２０％水分散体、五塩化ニオブ・エタノール溶液、及び二酸化スズの２０％水分散体の混合割合、及び混合粉末における各成分の含有率を、表１に示す。

【0081】

（参考例２〜５）
混合水分散体における混合割合を表１に示すように変更したこと以外は、参考例１と同様の方法を用いて、参考例２〜５の混合粉末を得た。混合粉末における各成分の含有率を、表１に示す。

【0082】

【表1】

【0083】

発電素子を以下のように作製した。先ず、平板状の銅部材を正極２として準備した。次いで、平板状のアルミニウム部材を負極５として準備し、アルミニウム部材上に１．８ｃｍ×１．５ｃｍの窓を開けた厚さ０．８ｍｍの両面テープを貼り付けた。両面テープの窓に、参考例１で得られた二酸化ケイ素粒子（平均粒径：４０ｎｍ）、酸化ニオブ粒子、及び二酸化スズ粒子（平均粒径：７ｎｍ）からなる混合粉末を充填し、発電層４を形成した。発電層４の厚さは、両面テープの厚さと同じく、０．８ｍｍである。最後に、上記の正極２を両面テープ上に積層させ、発電素子を得た。参考例２〜５で得られた混合粉末についても、同様の方法を用いて、発電素子を作製した。

【0084】

［評価］
図４に示す試験装置を用いて、上記のようにして得られた発電素子の出力電流及び出力電圧を測定した。図４に示す試験装置では、負極５、抵抗負荷１０、スイッチ１１、電流計１３、正極２を、この順でリード線によって接続し、回路を形成している。また、この回路に抵抗負荷１０の両端の電圧を測定できるように電圧計１２が接続されている。また、温度調節器８によって温度調節が可能なヒーター６上に、負極５が下側に、正極２が上側になるようにして、発電素子１が設置されている。また、ヒーター６上の発電素子１が設置されていない部分には、温度センサ９が設置されており、ヒーター６の温度が測定できる。断熱材７は、正極２とヒーター６とを上下から挟み込むように、対向して設置されている。なお、抵抗負荷１０の抵抗は、１ｋΩ、１０ｋΩ、１００ｋΩ、又は∞に変化させて測定した。電流計１３及び電圧計１２は、ＦＬＵＫＥ社製のデジタルマルチメーター ８８０８Ａを用いた。また、Ｚ、Ｃｐ、Ｌ、ｔａｎδは、日置電機株式会社製のＬＣＲハイテスタ３５３２−５０を用いて測定した。測定は、ヒーター６の温度を２９℃（室温）、又は１００℃に変化させて行った。測定結果を表２に示す。

【0085】

【表2】

【0086】

（参考例６〜１３）
混合水分散体における混合割合を表３に示すように変更したこと以外は、参考例１と同様の方法を用いて、参考例６〜１３の混合粉末を得た。混合粉末における各成分の含有率を、表３に示す。

【0087】

【表3】

【0088】

発電素子を以下のように作製した。先ず、平板状の銅部材を正極２として準備した。次いで、平板状のアルミニウム部材を負極５として準備し、アルミニウム部材上に１ｃｍ×１ｃｍの窓を開けた厚さ０．８ｍｍの両面テープを貼り付けた。両面テープの窓に、参考例６で得られた二酸化ケイ素粒子（平均粒径：４０ｎｍ）、酸化ニオブ粒子、及び二酸化スズ粒子（平均粒径：７ｎｍ）からなる混合粉末を充填し、発電層４を形成した。発電層４の厚さは、両面テープの厚さと同じく、０．８ｍｍである。最後に、上記の正極２を両面テープ上に積層させ、発電素子を得た。参考例７〜１３で得られた混合粉末についても、同様の方法を用いて、発電素子を作製した。

【0089】

［評価］
参考例６〜１３で得られた混合粉末を用いて作製した発電素子について、上記と同様の方法により、出力電流及び出力電圧を測定した。参考例６〜１３で得られた発電素子についての測定結果を表４に示す。

【0090】

【表4】

【0091】

［二酸化ケイ素、酸化チタン、及び二酸化スズの混合粉末の調製］
（参考例１４）
四塩化チタン（和光純薬工業株式会社製）２５質量部をエタノール１００質量部に溶解させた。次に、該四塩化チタン・エタノール溶液１．９８質量部と、二酸化ケイ素の２０％水分散体（日産化学工業株式会社製、「ＳＴ−Ｏ−４０」、平均粒径４０ｎｍ）５質量部と、二酸化スズの２０％水分散体（ユニチカ株式会社製、酸化スズゾル「ＡＳ２０Ｉ」、平均粒径７ｎｍ）１質量部とを、混合し撹拌した。該混合水分散体中で、四塩化チタンは加水分解され、酸化チタンとなった。次に、得られた二酸化ケイ素粒子、酸化チタン粒子、及び二酸化スズ粒子を含む混合水分散体から、固形分を分離した。得られた固形分を十分に洗浄した後、１００℃で乾燥させることで、二酸化ケイ素粒子、酸化チタン粒子、及び二酸化スズ粒子からなる参考例１４の混合粉末を得た。混合水分散体における二酸化ケイ素の２０％水分散体、四塩化チタン・エタノール溶液、及び二酸化スズの２０％水分散体の混合割合、及び混合粉末における各成分の含有率を、表５に示す。

【0092】

（参考例１５〜１８）
混合水分散体における混合割合を表５に示すように変更したこと以外は、参考例１４と同様の方法を用いて、参考例１５〜１８の混合粉末を得た。混合粉末における各成分の含有率を、表５に示す。

【0093】

【表5】

【0094】

酸化ケイ素粒子、酸化ニオブ粒子、及び二酸化スズ粒子からなる混合粉末の代わりに、参考例１４の混合粉末を用いて発電層４を形成したこと以外は、参考例６と同様の方法により、発電素子を作製した。参考例１５〜１８で得られた混合粉末についても、参考例１４と同様の方法により、発電素子を作製した。

【0095】

［評価］
参考例１４〜１８で得られた混合粉末を用いて作製した発電素子について、上記と同様の方法により、出力電流及び出力電圧を測定した。測定結果を表６に示す。

【0096】

【表6】

【0097】

［二酸化ケイ素、酸化タンタル、及び二酸化スズの混合粉末の調製］
（参考例１９）
四塩化タンタル（和光純薬工業株式会社製）５質量部をエタノール４５質量部に溶解させた。次に、該四塩化タンタル・エタノール溶液１質量部と、二酸化ケイ素の２０％水分散体（日産化学工業株式会社製、「ＳＴ−Ｏ−４０」、平均粒径４０ｎｍ）５質量部と、二酸化スズの２０％水分散体（ユニチカ株式会社製、酸化スズゾル「ＡＳ２０Ｉ」、平均粒径７ｎｍ）０．７５質量部とを、混合し撹拌した。該混合水分散体中で、四塩化タンタルは加水分解され、酸化タンタルとなった。次に、得られた二酸化ケイ素粒子、酸化タンタル粒子、及び二酸化スズ粒子を含む混合水分散体から、固形分を分離した。得られた固形分を十分に洗浄した後、１００℃で乾燥させることで、二酸化ケイ素粒子、酸化タンタル粒子、及び二酸化スズ粒子からなる参考例１９の混合粉末を得た。混合水分散体における二酸化ケイ素の２０％水分散体、四塩化タンタル・エタノール水溶液、及び二酸化スズの２０％水分散体の混合割合、及び混合粉末における各成分の含有率を、表７に示す。

【0098】

（参考例２０〜２３）
混合水分散体における混合割合を表７に示すように変更したこと以外は、参考例１９と同様の方法を用いて、参考例２０〜２３の混合粉末を得た。混合粉末における各成分の含有率を、表７に示す。

【0099】

【表7】

【0100】

酸化ケイ素粒子、酸化ニオブ粒子、及び二酸化スズ粒子からなる混合粉末の代わりに、参考例１９の混合粉末を用いて発電層４を形成したこと以外は、参考例６と同様の方法により、発電素子を作製した。参考例２０〜２３で得られた混合粉末についても、参考例１９と同様の方法により、発電素子を作製した。

【0101】

［評価］
参考例１９〜２３で得られた混合粉末を用いて作製した発電素子について、上記と同様の方法により、出力電流及び出力電圧を測定した。測定結果を表８に示す。

【0102】

【表8】

【符号の説明】

【0103】

１ 発電素子
２ 正極（正極板）
３ ホール輸送層
４ 発電層
５ 負極（負極板）
６ ヒーター
７ 断熱材
８ 温度調節器
９ 温度センサ
１０ 抵抗負荷
１１ スイッチ
１２ 電圧計
１３ 電流計
１４ グリル
１５ ルーバー
１６ 導光体
１７ 光源
１８ 基板
１９ 発光部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】