特開 2023-157549 発電装置

(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】P2023157549

(43)【公開日】2023-10-26

(54)【発明の名称】発電装置

(51)【国際特許分類】

   H10N 15/00 20230101AFI20231019BHJP

   H02N 11/00 20060101ALI20231019BHJP

【ＦＩ】

H01L37/00

H02N11/00 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022067521

(22)【出願日】2022-04-15

(71)【出願人】

【識別番号】516230102

【氏名又は名称】株式会社ｉｌｌｕｍｉｎｕｓ

(74)【代理人】

【識別番号】100120868

【弁理士】

【氏名又は名称】安彦 元

(72)【発明者】

【氏名】後藤 博史

(72)【発明者】

【氏名】坂田 稔

(72)【発明者】

【氏名】アンダーソン ラーシュ マティアス

(57)【要約】

【課題】発電量の安定化を図ることができる発電装置を提供する。
【解決手段】温度差を不要とした熱電素子１を用いた発電装置１００であって、筐体２と、前記筐体２の内部に設けられた１つ以上の前記熱電素子１と、前記熱電素子１と電気的に接続され、前記筐体２の内部から外部まで延在する配線３と、を備える。前記熱電素子１は、互いに異なる仕事関数を有する一対の電極を含み、前記筐体１の内部における環境は、前記筐体の外部における環境とは異なることを特徴とする。例えば、前記熱電素子１は、前記筐体２に接する第１面と、前記第１面に対向し、前記筐体の内部に晒された第２面と、を含む。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

温度差を不要とした熱電素子を用いた発電装置であって、
筐体と、
前記筐体の内部に設けられた１つ以上の前記熱電素子と、
前記熱電素子と電気的に接続され、前記筐体の内部から外部まで延在する配線と、
を備え、
前記熱電素子は、互いに異なる仕事関数を有する一対の電極を含み、
前記筐体の内部における環境は、前記筐体の外部における環境とは異なること
を特徴とする発電装置。

【請求項2】

前記筐体の内部における酸素濃度及び水分濃度の少なくとも何れかは、前記筐体の外部よりも低いこと
を特徴とする請求項１記載の発電装置。

【請求項3】

前記熱電素子は、
前記筐体に接する第１面と、
前記第１面に対向し、前記筐体の内部に晒された第２面と、
を含むこと
を特徴とする請求項２記載の発電装置。

【請求項4】

前記筐体の内部には、不活性ガスが充填されること
を特徴とする請求項３記載の発電装置。

【請求項5】

前記筐体の内部に設けられたゲッター材をさらに備えること
を特徴とする請求項３記載の発電装置。

【請求項6】

前記熱電素子は、
前記一対の電極の間に設けられた微粒子と、
前記微粒子と結合し、前記一対の電極の間に亘って設けられた被膜と、
を含むこと
を特徴とする請求項１～５の何れか１項記載の発電装置。

【請求項7】

前記被膜の融点は、３０℃以下であること
を特徴とする請求項６記載の発電装置。

【請求項8】

前記被膜は、前記一対の電極の少なくとも一部を覆うこと
を特徴とする請求項６記載の発電装置。

【請求項9】

前記筐体の内部に設けられ、前記熱電素子を覆う保護膜をさらに備えること
を特徴とする請求項１又は２記載の発電装置。

【請求項10】

前記一対の電極の少なくとも何れかは、表面に設けられた電極保護膜を含むこと
を特徴とする請求項１～５の何れか１項記載の発電装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、温度差を不要とした熱電素子を用いた発電装置に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、温度差を不要とした熱電素子に関し、例えば特許文献１のような発電素子が提案されている。

【0003】

特許文献１では、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する発電素子であって、第１電極と、前記第１電極と対向して設けられ、前記第１電極とは異なる仕事関数を有する第２電極と、前記第１電極と、前記第２電極との間に設けられ、２種類以上の材料を含有するナノ粒子を含む中間部と、を備え、前記ナノ粒子は、２０ｗｔ％以上１００ｗｔ％未満の金を含有し、表面に設けられた硫黄原子を有する被膜を含むことを特徴とする発電素子が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許第６８４５５２１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ここで、特許文献１に開示されたような発電素子は、経時に伴い発電量の低下が懸念として挙げられている。このため、温度差を不要とした熱電素子を用いた発電装置として、発電量の安定化が求められている。

【0006】

そこで本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、その目的とするところは、発電量の安定化を図ることができる発電装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

第１発明に係る発電装置は、温度差を不要とした熱電素子を用いた発電装置であって、筐体と、前記筐体の内部に設けられた１つ以上の前記熱電素子と、前記熱電素子と電気的に接続され、前記筐体の内部から外部まで延在する配線と、を備え、前記熱電素子は、互いに異なる仕事関数を有する一対の電極を含み、前記筐体の内部における環境は、前記筐体の外部における環境とは異なることを特徴とする。

【0008】

第２発明に係る発電装置は、第１発明において、前記筐体の内部における酸素濃度及び水分濃度の少なくとも何れかは、前記筐体の外部よりも低いことを特徴とする。

【0009】

第３発明に係る発電装置は、第２発明において、前記熱電素子は、前記筐体に接する第１面と、前記第１面に対向し、前記筐体の内部に晒された第２面と、を含むことを特徴とする。

【0010】

第４発明に係る発電装置は、第３発明において、前記筐体の内部には、不活性ガスが充填されることを特徴とする。

【0011】

第５発明に係る発電装置は、第３発明において、前記筐体の内部に設けられたゲッター材をさらに備えることを特徴とする。

【0012】

第６発明に係る発電装置は、第１発明～第５発明の何れかにおいて、前記熱電素子は、前記一対の電極の間に設けられた微粒子と、前記微粒子と結合し、前記一対の電極の間に亘って設けられた被膜と、を含むことを特徴とする。

【0013】

第７発明に係る発電装置は、第６発明において、前記被膜の融点は、３０℃以下であることを特徴とする。

【0014】

第８発明に係る発電装置は、第６発明において、前記被膜は、前記一対の電極の少なくとも一部を覆うことを特徴とする。

【0015】

第９発明に係る発電装置は、第１発明又は第２発明において、前記筐体の内部に設けられ、前記熱電素子を覆う保護膜をさらに備えることを特徴とする。

【0016】

第１０発明に係る発電装置は、第１発明～第５発明の何れかにおいて、前記一対の電極の少なくとも何れかは、表面に設けられた電極保護膜を含むことを特徴とする。

【発明の効果】

【0017】

第１発明～第１０発明によれば、筐体の内部における環境は、筐体の外部における環境とは異なる。即ち、熱電素子の電極等に影響を与え得る分子（例えばＯ₂、Ｈ₂Ｏ、ＮＯ_x、ＣＯ_x、Ｈ₂等）を、筐体の内部において低減させた状態で、熱電素子を発電させることができる。このため、熱電素子が筐体の外部に設けられた場合に比べて、経時に伴う電極等の化学変化を抑制することができる。これにより、発電量の安定化を図ることが可能となる。

【0018】

特に、第２発明によれば、筐体の内部における酸素濃度及び水分濃度の少なくとも何れかは、大気よりも低い。即ち、熱電素子の各電極が、酸素又は水との接触により酸化等の劣化を引き起こす可能性を低くすることができる。このため、熱電素子が筐体の外部に設けられた場合に比べて、経時に伴う各電極の劣化を抑制することができる。これにより、発電量のさらなる安定化を図ることが可能となる。

【0019】

特に、第３発明によれば、熱電素子は、筐体に接する第１面と、筐体の内部に晒された第２面とを含む。このため、複数の熱電素子を筐体の内部に設ける際、配置箇所に起因する発電量のバラつきを抑制することができる。これにより、さらなる発電量の安定化を図ることが可能となる。

【0020】

特に、第４発明によれば、筐体の内部には、不活性ガスが充填される。このため、熱電素子の各電極の酸化を、さらに抑制することができる。これにより、さらなる発電量の安定化を図ることが可能となる。

【0021】

特に、第５発明によれば、ゲッター材は、筐体の内部に設けられる。このため、経時に伴い筐体の外部から侵入する酸素等を、ゲッター材により捉えることができる。これにより、さらなる発電量の安定化を図ることが可能となる。

【0022】

特に、第６発明によれば、熱電素子は、微粒子と結合し、一対の電極の間に亘って設けられた被膜を含む。即ち、各微粒子に結合した被膜が、一対の電極の間に連なって形成される。このため、一対の電極の間における空隙の発生を抑制することができる。これにより、空隙に起因する発電量の低下を抑制することが可能となる。

【0023】

特に、第８発明によれば、被膜は、一対の電極のうち少なくとも一部を覆う。このため、被膜に覆われた電極表面に対し、空隙の発生を抑制することができる。これにより、電極表面の空隙に起因する発電量の低下を抑制することが可能となる。

【0024】

特に、第９発明によれば、保護膜は、熱電素子を覆う。このため、熱電素子の各電極の酸化を、さらに抑制することができる。これにより、さらなる発電量の安定化を図ることが可能となる。

【0025】

特に、第１０発明によれば、一対の電極の少なくとも何れかは、表面に設けられた電極保護膜を含む。このため、電極の表面に電極保護膜を設けない場合に比べて、経時に伴う電極の酸化等の化学変化を抑制することができる。これにより、発電量のさらなる安定化を図ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0026】

【図1】図１は、実施形態における発電装置の一例を示す模式斜視図である。

【図2】図２は、図１におけるＡ－Ａに沿った模式断面図である。

【図3】図３は、中間部の一例を示す模式断面図である。

【図4】図４は、中間部の変形例を示す模式断面図である。

【図5】図５（ａ）は、微粒子の粒径の一例を示すグラフであり、図５（ｂ）は、微粒子の一例を示す模式図である。

【図6】図６は、実施形態における発電装置の第１変形例を示す模式断面図である。

【図7】図７は、実施形態における発電装置の第２変形例を示す模式断面図である。

【図8】図８は、熱電素子の変形例を示す模式断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0027】

以下、本発明の実施形態としての発電装置の一例について、図面を参照しながら説明する。なお、各図において、熱電素子の各電極が積層される高さ方向を第１方向Ｚとし、第１方向Ｚと交差、例えば直交する１つの平面方向を第２方向Ｘとし、第１方向Ｚ及び第２方向Ｘのそれぞれと交差、例えば直交する別の平面方向を第３方向Ｙとする。また、各図における構成は、説明のため模式的に記載されており、例えば各構成の大きさや、構成毎における大きさの対比等については、図とは異なってもよい。

【0028】

（発電装置１００）
図１は、本実施形態における発電装置１００の一例を示す模式斜視図である。図２は、図１におけるＡ－Ａに沿った模式断面図である。

【0029】

図１及び図２に示すように、発電装置１００は、１つ以上の熱電素子１と、筐体２と、配線３とを備える。発電装置１００は、温度差を不要とした熱電素子１を用いる。熱電素子１は、筐体２の有する内部２０に設けられる。なお、内部２０に設けられる熱電素子１の数は、任意である。配線３は、熱電素子１と電気的に接続され、筐体２の内部２０から外部まで延在する。

【0030】

熱電素子１は、互いに異なる仕事関数を有する一対の電極１１、１２を含み、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する。このような熱電素子１を備えた発電装置１００は、例えば、図示せぬ熱源や熱媒の近傍に搭載又は設置され、熱源や熱媒の熱エネルギーを元として、熱電素子１から発生した電気エネルギーを、配線３を介して負荷等へ出力する。負荷は、例えば電気的な機器を示す。負荷は、例えば発電装置１００を主電源又は補助電源に用いて駆動される。

【0031】

発電装置１００の熱源としては、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等の電子デバイス又は電子部品、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）等の発光素子、自動車等のエンジン、工場の生産設備、人体、太陽光、及び環境温度等が挙げられる。熱媒としては、熱源に接する部材等のような、熱を伝達し得る構造が挙げられる。例えば、電子デバイス、電子部品、発光素子、エンジン、及び生産設備等は、人工熱源である。人体、太陽光、及び環境温度等は自然熱源である。発電装置１００は、例えばＩｏＴ（Internet of Things）デバイス及びウェアラブル機器等のモバイル機器や自立型センサ端末の内部に設けることができ、電池の代替又は補助として用いることができる。さらに、発電装置１００は、太陽光発電等のような、より大型の発電装置への応用も可能である。

【0032】

筐体２は、熱電素子１が配置された内部２０を有する。筐体２の内部２０における環境は、筐体２の外部における環境とは異なる。なお、「環境」とは、気体に含まれる特定分子の特徴を示し、例えば特定分子の濃度を示す。環境は、例えば気体中におけるＯ₂、Ｈ₂Ｏ、ＮＯ_x、ＣＯ_x、及びＨ₂の少なくとも何れかの濃度を示す。

【0033】

ここで、熱電素子１の各構成は、環境に応じて化学変化する可能性がある。特に、熱電素子１の発電に伴い各構成が化学変化することで、発電量が変化し得る。

【0034】

この点、本実施形態における発電装置１００は、熱電素子１の電極１１、１２等の各構成に影響を与え得る分子（例えばＯ₂、Ｈ₂Ｏ、ＮＯ_x、ＣＯ_x、Ｈ₂等）を、筐体２の内部２０において低減させた状態で、熱電素子１を発電させることができる。このため、熱電素子１が筐体２の外部に設けられた場合に比べて、経時に伴う電極１１、１２等の化学変化を抑制することができる。これにより、発電量の安定化を図ることが可能となる。

【0035】

例えば筐体２の内部２０における酸素濃度及び水分濃度の少なくとも何れかは、大気における各濃度よりも低い。筐体２の内部２０は、例えば減圧された状態を示す。

【0036】

ここで、熱電素子１の各電極１１、１２は、周囲に存在する酸素や水の影響により、酸化等の劣化を引き起こす可能性がある。そして、各電極１１、１２の劣化に伴い、発電量の低下が懸念として挙げられる。特に、温度差を不要とした熱電素子１では、各電極１１、１２の仕事関数が発電量に大きく影響するため、各電極１１、１２の酸化等の劣化に伴う仕事関数の変動が、発電量の不安定化を引き起こし得る点を発明者は見出した。これに対し、本実施形態における発電装置１００では、筐体２の内部２０における酸素濃度及び水分濃度の少なくとも何れかは、大気よりも低い。即ち、熱電素子１の各電極１１、１２が、酸素又は水との接触により酸化等の劣化を引き起こす可能性を低くすることができる。このため、熱電素子１が筐体２の外部に設けられた場合に比べて、経時に伴う各電極１１、１２の劣化を抑制することができる。これにより、発電量のさらなる安定化を図ることが可能となる。

【0037】

熱電素子１は、例えば第１面１ｆと、第２面１ｓとを含む。第１面１ｆは、筐体２に接する。第２面１ｓは、第１面１ｆに対向し、筐体２の内部２０に晒される。第２面１ｓを内部２０に晒すことで、複数の熱電素子１を筐体２の内部２０に設ける際、配置箇所に起因する発電量のバラつきを抑制することができる。

【0038】

以下、各構成についての詳細を説明する。

【0039】

（熱電素子１）
熱電素子１は、一対の電極（第１電極１１、第２電極１２）と、中間部１４とを備える。熱電素子１は、例えば支持部１３、第１基板１５、及び第２基板１６の少なくとも何れかを備えてもよい。

【0040】

＜第１電極１１、第２電極１２＞
第１電極１１及び第２電極１２は、互いに対向して設けられる。第１電極１１及び第２電極１２は、それぞれ異なる仕事関数を有する。各電極１１、１２の形状や配置する数は、用途に応じて任意である。

【0041】

第１電極１１及び第２電極１２の材料として、導電性を有する材料が用いられる。第１電極１１及び第２電極１２の材料として、例えばそれぞれ異なる仕事関数を有する材料が用いられる。なお、各電極１１、１２には、それぞれ同一の材料を用いてもよく、この場合、それぞれ異なる仕事関数を有していればよい。

【0042】

各電極１１、１２の材料として、例えば鉄、アルミニウム、銅、白金、ハフニウム等の単一元素からなる材料が用いられるほか、例えば２種類以上の元素からなる合金の材料が用いられてもよい。各電極１１、１２の材料として、例えば非金属導電物が用いられてもよい。非金属導電物の例としては、シリコン（Ｓｉ：例えばｐ型Ｓｉ、あるいはｎ型Ｓｉ）、及びグラフェン等のカーボン系材料等を挙げることができる。

【0043】

第１電極１１及び第２電極１２の第１方向Ｚに沿った厚さは、例えば４ｎｍ以上１μｍ以下である。第１電極１１及び第２電極１２の第１方向Ｚに沿った厚さは、例えば４ｎｍ以上５００ｎｍ以下でもよい。

【0044】

例えば図３に示すように、第１電極１１と、第２電極１２との間には、ギャップＧが形成される。ギャップＧは、例えば支持部１３又は中間部１４の厚さを変更することで任意に設定することができる。例えばギャップＧを狭くすることで、各電極１１、１２の間に発生する電界を大きくすることができるため、熱電素子１の発電量を増加させることができる。また、例えばギャップＧを狭くすることで、熱電素子１の第１方向Ｚに沿った厚さを薄くすることができる。

【0045】

ギャップＧは、例えば５００μｍ以下の有限値である。ギャップＧは、例えば１０ｎｍ以上１μｍ以下である。例えばギャップＧが２００ｎｍ以下の場合、第１電極１１と第２電極１２とが接触する可能性が高くなる。また、ギャップＧが１μｍよりも大きい場合、各電極１１、１２の間に発生する電界が弱まる可能性がある。これらのため、ギャップＧは、２００ｎｍよりも大きく、１μｍ以下であることが好ましい。

【0046】

＜中間部１４＞
中間部１４は、第１電極１１と、第２電極１２との間（ギャップＧ）を含む空間１４０に設けられる。中間部１４は、例えば第２方向Ｘ及び第３方向Ｙに沿った平面に延在する。中間部１４は、各電極１１、１２の互いに対向する主面に接するほか、例えば各電極１１、１２の側面に接してもよい。

【0047】

中間部１４は、微粒子１４１を含む。中間部１４は、例えば微粒子１４１と結合し、一対の電極１１、１２に亘って設けられた被膜１４１ａを含んでもよい。被膜１４１ａは、例えばギャップＧ内に充填され、微粒子１４１毎の隙間に設けられてもよい。

【0048】

微粒子１４１の粒子径は、例えばギャップＧよりも小さい。微粒子１４１の粒子径は、例えばギャップＧの１／１０以下の有限値である。例えば微粒子１４１の粒子径が、ギャップＧの１／１０以下の場合、空間１４０内に微粒子１４１を含む中間部１４を、形成し易くすることができる。これにより、熱電素子１を生成する際、作業性を向上させることが可能となる。

【0049】

ここで、「微粒子」とは、複数の粒子を含んだものを示す。微粒子１４１は、例えば２ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の粒子径を有する粒子を含む。微粒子１４１は、例えば、メディアン径（中央径：Ｄ５０）が３ｎｍ以上２０ｎｍ以下の粒子径を有する粒子を含んでもよいほか、例えば平均粒径が３ｎｍ以上２０ｎｍ以下の粒子径を有する粒子を含んでもよい。微粒子１４１の粒子数濃度は、例えば１．０×１０⁶～１．０×１０¹²個／ｍｌ程度でもよく、用途に応じて任意に設定することができる。メディアン径又は平均粒径、及び粒子数濃度は、例えば粒度分布計測器を用いることで、測定することができる。粒度分布計測器としては、例えば、動的光散乱法を用いた粒度分布計測器（例えばMalvern Panalytical製ゼータサイザーUltra等）を用いればよい。

【0050】

微粒子１４１は、例えば導電物を含み、用途に応じて任意の材料が用いられる。微粒子１４１は、１種類の材料を含むほか、用途に応じて複数の材料を含んでもよい。

【0051】

微粒子１４１は、例えば金属を含む。微粒子１４１として、例えば金、銀等の１種類の材料を含有する粒子のほか、例えば２種類以上の材料を含有した合金の粒子が用いられてもよい。

【0052】

微粒子１４１は、例えば金属酸化物を含む。金属酸化物を含む微粒子１４１として、例えばジルコニア（ＺｒＯ₂）、チタニア（ＴｉＯ₂）、シリカ（ＳｉＯ₂）、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）、酸化鉄（Ｆｅ₂Ｏ₃、Ｆｅ₂Ｏ₅）、酸化銅（ＣｕＯ）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、イットリア（Ｙ₂Ｏ₃）、酸化ニオブ（Ｎｂ₂Ｏ₅）、酸化モリブデン（ＭｏＯ₃）、酸化インジウム（Ｉｎ₂Ｏ₃）、酸化スズ（ＳｎＯ₂）、酸化タンタル（Ｔａ₂Ｏ₅）、酸化タングステン（ＷＯ₃）、酸化鉛（ＰｂＯ）、酸化ビスマス（Ｂｉ₂Ｏ₃）、セリア（ＣｅＯ₂）、酸化アンチモン（Ｓｂ₂Ｏ₅、Ｓｂ₂Ｏ₃）などの、金属及びＳｉからなる群より選ばれる少なくとも何れか１つの元素の金属酸化物が用いられる。微粒子１４１は、例えば誘電体を含んでもよい。

【0053】

微粒子１４１は、例えば被膜１４１ａと結合する。被膜１４１ａを微粒子１４１の表面に結合させることで、例えば微粒子１４１の凝集を抑制することができる。また、被膜１４１ａを微粒子１４１の表面に設けることで、微粒子１４１が各電極１１、１２に直接接触することを防止することが可能となる。

【0054】

例えば被膜１４１ａは、微粒子１４１間に一体に形成される。この場合、微粒子１４１間に空隙が形成される可能性を低減することができる。これにより、発電量の向上を図ることが可能となる。

【0055】

例えば被膜１４１ａは、各電極１１、１２の少なくとも一部を覆う。この場合、被膜１４１ａに覆われた電極１１、１２の表面に対し、空隙の発生を抑制することができる。

【0056】

被膜１４１ａとして、例えば高分子化合物や、脂肪酸類等が用いられる。高分子化合物として、例えばポリビニルピロリドン等が用いられる。脂肪酸類としては、例えばオレイン酸、リノール酸等が用いられる。

【0057】

被膜１４１ａとして、例えば融点が３０℃以下の材料が用いられ、例えばオレイン酸が用いられる。この場合、熱電素子１を形成する際、加熱処理等を実施せずに、被膜１４１ａを各電極１１、１２の間に亘って容易に形成することができる。これにより、加熱処理に伴う各電極１１、１２の仕事関数の変動等を抑制することが可能となる。

【0058】

被膜１４１ａは、例えば微粒子１４１に含まれる各粒子と結合し、それぞれ別体として設けられてもよい。この場合、被膜１４１ａとして、例えばチオール基又はジスルフィド基を有する材料が用いられる。チオール基を有する材料として、例えばドデカンチオール等のアルカンチオールが用いられる。ジスルフィド基を有する材料として、例えばアルカンジスルフィド等が用いられる。

【0059】

なお、中間部１４は、例えば図４に示すように、不導体層１４２を含んでもよい。この場合、中間部１４は、被膜１４１ａを含まなくてもよい。

【0060】

ここで、中間部１４が溶媒を含む場合、筐体２の内部２０を減圧すると、溶媒が空間１４０から出る可能性がある。これにより、発電量が低下する懸念が挙げられる。これに対し、中間部１４が不導体層１４２を含むことで、筐体２の内部２０を減圧する場合においても、中間部１４の変動を抑制することができる。

【0061】

不導体層１４２は、微粒子１４１を内包し、第１電極１１及び第２電極１２を支持する。この場合、不導体層１４２により、ギャップＧにおける微粒子１４１の移動が抑制される。このため、経時に伴い微粒子１４１が一方の電極１１、１２側に偏在し、電子の移動量が減少することを抑制することができる。これにより、発電量の安定化を図ることが可能となる。

【0062】

不導体層１４２は、例えば不導体材料を硬化させて形成される。不導体層１４２は、例えば固体を示す。不導体層１４２は、例えば希釈剤の残渣や、不導体材料の未硬化部を含んでもよい。この場合においても、上記と同様に、発電量の安定化を図ることが可能となる。また、微粒子１４１は、例えば不導体層１４２に分散された状態で固定される。この場合においても、上記と同様に、発電量の安定化を図ることが可能となる。

【0063】

不導体層１４２の厚さは、例えば５００μｍ以下の有限値である。不導体層１４２の厚さは、上述したギャップＧの値やバラつきに影響する。このため、例えば不導体層１４２の厚さが２００ｎｍ以下の場合、第１電極１１と第２電極１２とが接触する可能性が高くなる。また、不導体層１４２の厚さが１μｍよりも大きい場合、各電極１１、１２の間に発生する電界が弱まる可能性がある。これらのため、不導体層１４２の厚さは、２００ｎｍよりも大きく、１μｍ以下であることが好ましい。

【0064】

不導体層１４２は、例えば１種類の材料を含むほか、用途に応じて複数の材料を含んでもよい。不導体層１４２として、例えばＩＳＯ１０４３－１、又はＪＩＳ Ｋ ６８９９－１に記載の材料が用いられてもよい。

【0065】

例えば図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、微粒子１４１は、第１微粒子１４１ｆ、及び第２微粒子１４１ｓを含んでもよい。例えば図５（ａ）に示すように、第２微粒子１４１ｓの中央径Ｄ５０ｓは、第１微粒子１４１ｆの中央径Ｄ５０ｆよりも小さい。この場合、例えば図５（ｂ）に示すように、第２微粒子１４１ｓが、第１微粒子１４１ｆの粒子間に入り込む可能性を高くすることができる。この際、各微粒子１４１ｆ、１４１ｓは、何れか一方のみが中間部１４に含まれる場合に比べて、変動可能な範囲が狭くなる。このため、微粒子１４１の変動を抑制することができる。これにより、発電量の低下の抑制を図ることが可能となる。

【0066】

また、例えば微粒子１４１が、各微粒子１４１ｆ、１４１ｓを含むことで、大きい中央径Ｄ５０ｆを有する第１微粒子１４１ｆのみを含む場合に比べて、各電極１１、１２に接する微粒子１４１の面積を大きくすることができる。このため、各電極１１、１２の間を移動する電子の量を増大させることができる。これにより、発電量の増加を図ることが可能となる。

【0067】

また、例えば微粒子１４１が、各微粒子１４１ｆ、１４１ｓを含むことで、小さい中央径Ｄ５０ｓを有する第２微粒子１４１ｓのみを含む場合に比べて、中間部１４内における微粒子１４１の充填度合いを容易に向上させることができる。これにより、微粒子１４１間において電子の移動を円滑にすることができる。この点においても、発電量の増加を図ることが可能となる。

【0068】

なお、微粒子１４１に含まれる第１微粒子１４１ｆ及び第２微粒子１４１ｓは、例えば上述した粒子径の範囲であれば、任意に選択することができる。また、第１微粒子１４１ｆの中央径Ｄ５０ｆと、第２微粒子１４１ｓの中央径Ｄ５０ｓとの差の度合いは、任意である。

【0069】

例えば、第１微粒子１４１ｆの粒子数濃度は、第２微粒子１４１ｓの粒子数濃度よりも低い。ここで、第１微粒子１４１ｆの粒子数濃度が、第２微粒子１４１ｓの粒子数濃度よりも高い場合、第１微粒子１４１ｆにおける粒子間に、第２微粒子１４１ｓが入り込む可能性が低くなる。このため、各電極１１、１２の間における微粒子１４１の充填度合いを高めることができず、微粒子１４１の偏在等を引き起こす懸念が挙げられる。これに対し、本実施形態によれば、例えば第１微粒子１４１ｆの粒子数濃度は、第２微粒子１４１ｓの粒子数濃度よりも低い。この場合、各電極１１、１２の間における微粒子１４１の充填度合いを高めることができる。このため、微粒子１４１の偏在等の抑制を図ることが可能となる。

【0070】

例えば、第１微粒子１４１ｆの仕事関数は、第２微粒子１４１ｓの仕事関数よりも低い。この場合、第１電極１１及び第１微粒子１４１ｆから第２微粒子１４１ｓに向けて、電子が移動し易くなる。また、第２微粒子１４１ｓの粒子間距離は、第１微粒子１４１ｆの粒子間距離に比べて、短い傾向を示すため、中間部１４内における電子の伝達経路が形成され易い。このため、第１電極１１から第２微粒子１４１ｓを介して中間部１４に電子が供給され易くなる。これにより、各電極１１、１２の間における電子の伝達を円滑に進めることができる。従って、発電量の増加を図ることが可能となる。

【0071】

＜支持部１３＞
支持部１３は、例えば図２に示すように、各電極１１、１２に接して支持する。支持部１３は、例えば各電極１１、１２と離間し、各基板１５、１６に接して支持してもよい。

【0072】

支持部１３として、例えば絶縁性を有する材料が用いられ、用途に応じて任意の材料が用いられる。例えば中間部１４が不導体層１４２を含む場合、熱電素子１は支持部１３を備えなくてもよい。

【0073】

＜第１基板１５、第２基板１６＞
第１基板１５及び第２基板１６は、例えば各電極１１、１２及び中間部１４を挟み、第１方向Ｚに離間して設けられる。第１基板１５は、例えば第１電極１１と接し、第２電極１２と離間する。第１基板１５は、第１電極１１を固定する。第２基板１６は、第２電極１２と接し、第１電極１１と離間する。第２基板１６は、第２電極１２を固定する。

【0074】

各基板１５、１６の第１方向Ｚに沿った厚さは、例えば１０μｍ以上２ｍｍ以下である。各基板１５、１６の厚さは、任意に設定することができる。各基板１５、１６の形状は、例えば正方形や長方形の四角形のほか、円盤状等でもよく、用途に応じて任意に設定することができる。

【0075】

各基板１５、１６として、例えば絶縁性を有する板状の部材を用いることができ、例えばシリコン、石英、パイレックス（登録商標）等の公知の部材を用いることができる。各基板１５、１６は、例えばフィルム状の部材が用いられてもよく、例えばＰＥＴ（polyethylene terephthalate）、ＰＣ（polycarbonate）、及びポリイミド等の公知のフィルム状部材が用いられてもよい。

【0076】

各基板１５、１６として、例えば導電性を有する部材を用いることができ、例えば鉄、アルミニウム、銅、又はアルミニウムと銅との合金等を挙げることができる。また、各基板１５、１６としては、例えばＳｉ、ＧａＮ等の導電性を有する半導体の他、導電性高分子等の部材が用いられてもよい。各基板１５、１６に導電性を有する部材を用いる場合、各電極１１、１２に接続するための配線が不要となる。

【0077】

なお、熱電素子１は、例え第１基板１５のみを備えるほか、第２基板１６のみを備えてもよい。また、熱電素子１は、例えば各基板１５、１６を備えずに、第１電極１１、中間部１４、及び第２電極１２の順に複数積層された積層構造を示すほか、例えば各基板１５、１６の少なくとも何れかを備えた積層構造を示してもよい。

【0078】

＜筐体２＞
筐体２は、内部２０に設けられた熱電素子１を外部環境から隔離するために用いられる。筐体２として、例えば電子部品に用いられる公知の筐体が用いられる。

【0079】

筐体２の内部２０は、例えば外部よりも減圧された状態を示すほか、例えば窒素やアルゴン等の不活性ガスが充填された状態を示してもよい。何れの場合においても、筐体２の内部２０における環境は、筐体２の外部における環境とは異なる状態とすることができる。これらのような状態を維持するために、筐体２の構造は、内部２０を密閉できる構造を有することが好ましい。

【0080】

筐体２は、例えば図１に示すように、上部２ａと、下部２ｂとを含むほか、例えば内部２０を有する一体型の構造を示してもよい。筐体２は、例えば上部２ａと下部２ｂとを連接するための封止部材等を含んでもよい。

【0081】

上部２ａは、１以上の熱電素子１を覆うことができれば、任意の大きさ、形状、材料を用いることができる。上部２ａとして、例えば熱を内部２０に伝達し易い熱伝導率の高い材料が用いられてもよい。

【0082】

下部２ｂは、１以上の熱電素子１を支持することができれば、任意の大きさ、形状、材料を用いることができる。下部２ｂとして、例えば配線３が予め設けられたプリント基板等が用いられてもよい。下部２ｂとして、例えば熱を内部２０に伝達し易い熱伝導率の高い材料が用いられてもよい。

【0083】

例えば発電装置１００は、筐体２の内部２０に設けられたゲッター材を備えてもよい。ゲッター材は、例えば熱電素子１と同様に下部２ｂの上に設けられるほか、上部２ａの内壁に設けられてもよい。

【0084】

ゲッター材は、内部２０に存在する酸素等のような特定の分子を捕捉することがき、例えばチタン、酸化ルテニウム、ジルコニウム等のような公知のゲッタリング能力を有する材料が用いられる。ゲッター材を設けることで、経時に伴い筐体２の外部から侵入する酸素等を捕捉することができる。これにより、筐体２の内部２０における酸素等のような特定の分子濃度を、大気における濃度よりも低くすることができる。

【0085】

＜配線３＞
配線３は、熱電素子１と、負荷等とを電気的に接続するために用いられる。配線３の材料、形状、配置する数は、用途に応じて任意である。なお、配線３は、少なくとも一部が筐体２に埋め込まれてもよい。

【0086】

配線３は、例えば正極３ａと、負極３ｂとを含むほか、複数の熱電素子１の間に接続された接続配線を含んでもよい。配線３は、例えば複数の熱電素子１を並列に接続するほか、直列に接続してもよく、用途に応じて接続状態を任意に設定することができる。

【0087】

＜熱電素子１の動作例＞
例えば、熱エネルギーが熱電素子１に与えられると、第１電極１１と第２電極１２との間に電流が発生し、熱エネルギーが電気エネルギーに変換される。第１電極１１と第２電極１２との間に発生する電流量は、熱エネルギーに依存する他、第２電極１２の仕事関数と、第１電極１１の仕事関数との差に依存する。

【0088】

発生する電流量は、例えば第１電極１１と第２電極１２との仕事関数差を大きくすること、及びギャップＧを小さくすることで、増やすことができる。例えば、熱電素子１が発生させる電気エネルギーの量は、上記仕事関数差を大きくすること、及び上記ギャップＧを小さくすること、の少なくとも何れか１つを考慮することで、増加させることができる。また、各電極１１、１２の間に、微粒子１４１を設けることで、各電極１１、１２の間を移動する電子の量を増大させることができ、電流量の増加に繋げることが可能となる。

【0089】

なお、「仕事関数」とは、固体内にある電子を真空中に取出すために必要な最小限のエネルギーを示す。仕事関数は、例えば、紫外光電子分光法（ＵＰＳ：Ultraviolet Photoelectron Spectroscopy）、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ：X-ray Photoelectron Spectroscopy）やオージェ電子分光法（ＡＥＳ：Auger Electron Spectroscopy）を用いて測定することができる。なお、「仕事関数」として、熱電素子１の各構成を対象とした実測値が用いられるほか、例えば材料に対して計測された公知の値が用いられてもよい。

【0090】

本実施形態によれば、筐体２の内部２０における環境は、筐体２の外部における環境とは異なる。即ち、熱電素子１の電極１１、１２等に影響を与え得る分子（例えばＯ₂、Ｈ₂Ｏ、ＮＯ_x、ＣＯ_x、Ｈ₂等）を、筐体２の内部２０において低減させた状態で、熱電素子１を発電させることができる。このため、熱電素子１が筐体２の外部に設けられた場合に比べて、経時に伴う電極１１、１２等の化学変化を抑制することができる。これにより、発電量の安定化を図ることが可能となる。

【0091】

また、本実施形態によれば、筐体２の内部２０における酸素濃度及び水分濃度の少なくとも何れかは、大気よりも低い。即ち、熱電素子１の各電極１１、１２が、酸素又は水との接触により酸化等の劣化を引き起こす可能性を低くすることができる。このため、熱電素子１が筐体２の外部に設けられた場合に比べて、経時に伴う各電極１１、１２の劣化を抑制することができる。これにより、発電量のさらなる安定化を図ることが可能となる。

【0092】

また、本実施形態によれば、熱電素子１は、筐体２に接する第１面１ｆと、筐体２の内部２０に晒された第２面１ｓとを含む。このため、複数の熱電素子１を筐体２の内部２０に設ける際、配置箇所に起因する発電量のバラつきを抑制することができる。これにより、さらなる発電量の安定化を図ることが可能となる。

【0093】

また、本実施形態によれば、筐体２の内部２０には、不活性ガスが充填される。このため、熱電素子１の各電極１１、１２の酸化を、さらに抑制することができる。これにより、さらなる発電量の安定化を図ることが可能となる。

【0094】

また、本実施形態によれば、ゲッター材は、筐体２の内部２０に設けられる。このため、経時に伴い筐体２の外部から侵入する酸素等を、ゲッター材により捉えることができる。これにより、さらなる発電量の安定化を図ることが可能となる。

【0095】

また、本実施形態によれば、熱電素子１は、微粒子１４１と結合し、一対の電極１１、１２の間に亘って設けられた被膜１４１ａを含む。即ち、各微粒子１４１に結合した被膜１４１ａが、一対の電極１１、１２の間に連なって形成される。このため、一対の電極１１、１２の間における空隙の発生を抑制することができる。これにより、空隙に起因する発電量の低下を抑制することが可能となる。

【0096】

また、本実施形態によれば、被膜１４１ａは、一対の電極１１、１２のうち少なくとも一部を覆う。このため、被膜１４１ａに覆われた電極表面に対し、空隙の発生を抑制することができる。これにより、電極表面の空隙に起因する発電量の低下を抑制することが可能となる。

【0097】

また、本実施形態によれば、例えば微粒子１４１は、第１微粒子１４１ｆ、及び第１微粒子１４１ｆよりも小さい中央径Ｄ５０ｓを有する第２微粒子１４１ｓを含んでもよい。この場合、第２微粒子１４１ｓが、第１微粒子１４１ｆの粒子間に入り込む可能性を高くすることができ、微粒子１４１の分散状態の変動を抑制することができる。これにより、発電量の低下の抑制を図ることが可能となる。

【0098】

また、本実施形態によれば、例えば第１微粒子１４１ｆの粒子数濃度は、第２微粒子１４１ｓの粒子数濃度よりも低くてもよい。即ち、電極１１、１２の間における微粒子１４１の充填度合いを高めることができる。このため、微粒子１４１の分散状態の変動をさらに抑制することが可能となる。これにより、発電量の低下のさらなる抑制を図ることが可能となる。

【0099】

（発電装置１００：変形例）
次に、本実施形態における発電装置１００の変形例について説明する。上述した実施形態と、変形例との違いは、保護膜４を備える点である。なお、上述した構成と同様の内容については、説明を省略する。

【0100】

本変形例における発電装置１００は、例えば図６に示すように、保護膜４をさらに備える。保護膜４は、筐体２の内部２０に設けられ、熱電素子１を覆う。保護膜４は、例えば複数の熱電素子１を一体に覆ってもよい。熱電素子１を覆う保護膜４を設けることで、熱電素子１の各電極１１、１２が酸化する可能性を、さらに抑制することができる。

【0101】

本変形例の場合、熱電素子１の第１面１ｆは、筐体２に接する。また、熱電素子１の第２面１ｓ及び側面１ｔは、保護膜４に接する。保護膜４は、例えば熱電素子１の第２面１ｓから側面１ｔまで一体に設けられる。

【0102】

保護膜４として、絶縁性を有する材料が用いられる。保護膜４として、例えば絶縁性樹脂が用いられ、絶縁性樹脂の例としては、フッ素系絶縁性樹脂等の公知の材料を挙げることができる。なお、例えば保護膜４として、例えばアルミ等の金属が用いられてもよい。

【0103】

なお、例えば図７に示すように、保護膜４は、複数の熱電素子１毎に離間して設けられてもよい。例えばウェハレベルパッケージ技術を用いて複数の熱電素子１を形成する際、ウェハ上に形成された複数の熱電素子１に対して保護膜４を一体に形成する。その後、熱電素子１毎に分割したあと、筐体２に配置することで、熱電素子１毎に離間した保護膜４を形成することができる。

【0104】

本変形例によれば、保護膜４は、熱電素子１を覆う。このため、熱電素子１の各電極１１、１２の酸化を、さらに抑制することができる。これにより、さらなる発電量の安定化を図ることが可能となる。

【0105】

（熱電素子１：変形例）
次に、本実施形態における熱電素子１の変形例について説明する。上述した実施形態と、熱電素子１の変形例との違いは、電極保護膜が設けられる点である。なお、上述した構成と同様の内容については、説明を省略する。

【0106】

本変形例における熱電素子１では、一対の電極１１、１２の少なくとも何れかは、表面に設けられた電極保護膜を含む。電極保護膜は、例えば図８に示すように、第１電極保護膜１１ａ及び第２電極保護膜１２ａの少なくとも何れかを含む。第１電極保護膜１１ａは、第１電極１１の表面に設けられる。第２電極保護膜１２ａは、第２電極１２の表面に設けられる。

【0107】

電極保護膜は、一対の電極１１、１２と、中間部１４との間に設けられる。例えば電極保護膜が表面に設けられた電極１１、１２は、電極保護膜を介して中間部１４と離間する。

【0108】

電極保護膜は、例えば０．１ｎｍ～１μｍ程度の厚みを有する。電極保護膜の厚みは、例えば０．１ｎｍ～５００ｎｍであることが好ましい。電極保護膜の厚みが０．１ｎｍ未満の場合、電極保護膜の形成が難しい。また、電極保護膜の厚みが５００ｎｍを超える場合、微粒子１４１と各電極１１、１２との間における電子の享受が困難となり得る。従って、電極保護膜の厚みが０．１ｎｍ～５００ｎｍであれば、微粒子１４１と各電極１１、１２との間における電子の享受に与える影響を抑えることができる。

【0109】

電極保護膜として、不導体材料が用いられる。不導体材料として、公知の高分子化合物が挙げられ、例えばポリスチレン、ＡＳ樹脂、ＡＢＳ樹脂、ポリ（アクリル酸）、ポリ（アクリル酸エステル）、ポリ（メタクリル酸）、ポリ（メタクリル酸エステル）、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリカーボネート、及びそれらの共重合体等が挙げられる。

【0110】

本変形例によれば、一対の電極１１、１２の少なくとも何れかは、表面に設けられた電極保護膜を含む。このため、電極１１、１２の表面に電極保護膜を設けない場合に比べて、経時に伴う電極１１、１２の酸化等の化学変化を抑制することができる。これにより、発電量のさらなる安定化を図ることが可能となる。

【0111】

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。

【符号の説明】

【0112】

１ ：熱電素子
１ｆ ：第１面
１ｓ ：第２面
１ｔ ：側面
２ ：筐体
２ａ ：上部
２ｂ ：下部
３ ：配線
３ａ ：正極
３ｂ ：負極
４ ：保護膜
１１ ：第１電極
１１ａ ：第１電極保護膜
１２ ：第２電極
１２ａ ：第２電極保護膜
１３ ：支持部
１４ ：中間部
１５ ：第１基板
１６ ：第２基板
２０ ：内部
１００ ：発電装置
１４０ ：空間
１４１ ：微粒子
１４１ａ ：被膜
１４１ｆ ：第１微粒子
１４１ｓ ：第２微粒子
１４２ ：不導体層
Ｘ ：第２方向
Ｙ ：第３方向
Ｚ ：第１方向

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】