特開 2024-16891 発電装置、および、それを用いた発電システム

(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】P2024016891

(43)【公開日】2024-02-08

(54)【発明の名称】発電装置、および、それを用いた発電システム

(51)【国際特許分類】

   H02N 11/00 20060101AFI20240201BHJP

   H02S 10/30 20140101ALI20240201BHJP

   H02S 40/42 20140101ALI20240201BHJP

   H10N 10/13 20230101ALI20240201BHJP

   H10N 10/855 20230101ALI20240201BHJP

   H10N 10/851 20230101ALI20240201BHJP

【ＦＩ】

H02N11/00 A

H02S10/30

H02S40/42

H01L35/30

H01L35/22

H01L35/14

【審査請求】未請求

【請求項の数】20

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022119167

(22)【出願日】2022-07-27

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）令和元年度、国立研究開発法人科学技術振興機構、戦略的創造研究推進委託事業、「光と構造制御による温調機能の開拓」委託研究、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】301023238

【氏名又は名称】国立研究開発法人物質・材料研究機構

(72)【発明者】

【氏名】石井 智

(72)【発明者】

【氏名】森 孝雄

(72)【発明者】

【氏名】ブールジュ セドリック ミシェル クロード

【テーマコード（参考）】

5F151

5F251

【Ｆターム（参考）】

5F151BA05

5F151JA28

5F151JA29

5F251BA05

5F251JA28

5F251JA29

(57)【要約】

【課題】 外部から電力等をかけて人工的に加熱、および／または、冷却をしなくても、自然光等の光を照射するだけで電流を得ることができる発電効率に優れた熱電装置、および、それを用いた発電システムを提供すること。
【解決手段】 本発明の可視光および近赤外光を透過し、中赤外光を吸収する光放射層と、可視光および近赤外光を吸収する光吸収層と、光放射層と光吸収層との間に少なくとも１つの熱電発電素子とを備え、少なくとも１つの熱電発電素子は、可視光および近赤外光を透過する基材と、基材の対向する主面にそれぞれ設けられ、可視光および近赤外光を透過し、かつ、ゼーベック係数の符号が互いに異なる熱電材料からなる一対の薄膜とを備え、少なくとも１つの熱電発電素子は、一対の薄膜の面内に平行な方向が、光放射層および光吸収層の面内に平行な方向に略垂直となるように位置する。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

可視光および近赤外光を透過し、中赤外光を吸収する光放射層と、
可視光および近赤外光を吸収する光吸収層と、
前記光放射層と前記光吸収層との間に少なくとも１つの熱電発電素子と
を備え、
前記少なくとも１つの熱電発電素子は、
可視光および近赤外光を透過する基材と、
前記基材の対向する主面にそれぞれ設けられ、可視光および近赤外光を透過し、かつ、ゼーベック係数の符号が互いに異なる熱電材料からなる一対の薄膜と
を備え、
前記少なくとも１つの熱電発電素子は、前記一対の薄膜の面内に平行な方向が、前記光放射層および前記光吸収層の面内に平行な方向に略垂直となるように位置する、発電装置。

【請求項2】

前記光放射層は、波長３８０ｎｍ以上２．５μｍ以下の範囲の光に対して７０％以上の透過率を有し、かつ、２．５μｍより大きく２０．０μｍ以下の範囲の光に対して７０％以上の吸収率を有する、請求項１に記載の発電装置。

【請求項3】

前記光放射層は、無機材料、有機材料、および、これらの組み合わせからなる群から選択される材料からなる、請求項２に記載の発電装置。

【請求項4】

前記光放射層は、２００μｍ以上１０００μｍ以下の範囲の厚さを有する、請求項１～３のいずれかに記載の発電装置。

【請求項5】

前記光吸収層は、波長３８０ｎｍ以上２．５μｍ以下の範囲の光に対して７０％以上の吸収率を有する、請求項１～４のいずれかに記載の発電装置。

【請求項6】

前記光吸収層は、黒色顔料を含有する、請求項１～５のいずれかに記載の発電装置。

【請求項7】

前記黒色顔料は、カーボン顔料、金属酸化物材料、および、有機顔料からなる群から選択される、請求項６に記載の発電装置。

【請求項8】

前記光吸収層は、１００μｍ以上２ｍｍ以下の範囲の厚さを有する、請求項１～７のいずれかに記載の発電装置。

【請求項9】

前記基材は、波長３８０ｎｍ以上２．５μｍ以下の範囲の光に対して７０％以上の透過率を有する、請求項１～８のいずれかに記載の発電装置。

【請求項10】

前記基材は、無機材料、有機材料、および、これらの組み合わせからなる群から選択される、請求項１～９のいずれかに記載の発電装置。

【請求項11】

前記無機材料は、ソーダ石灰ガラス、ホウケイ酸ガラス、アルカリバリウムケイ酸ガラス、アルミノケイ酸ガラス、石英、および、合成溶融シリカからなる群から選択されるガラスである、請求項１０に記載の発電装置。

【請求項12】

前記無機材料は、サファイア、コランダム、アルミナ、酸化マグネシウム、および、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）からなる群から選択されるセラミックである、請求項１０に記載の発電装置。

【請求項13】

前記有機材料は、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ／ＯＰＰ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、塩化ビニル樹脂（ＰＶＣ）、ポリスチレン（ＰＳ／ＯＰＳ）、アクリル（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、トリアセテート（ＴＡＣ）、シクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）、および、ポリイミド（ＰＩ）からなる群から選択されるプラスチックである、請求項１０に記載の発電装置。

【請求項14】

前記一対の薄膜は、ｐ型の熱電材料およびｎ型の熱電材料の組み合わせである、請求項１～１３のいずれかに記載の発電装置。

【請求項15】

前記ｐ型の熱電材料は、ヨウ化銅（ＣｕＩ）、および、Ｃｕ系デラフォサイト型酸化物（ＣｕＭＯ_２、Ｍは、アルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）、鉄（Ｆｅ）およびガリウム（Ｇａ）からなる群から少なくとも１種選択される）からなる群から選択され、
前記ｎ型の熱電材料は、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、アルミニウム添加酸化亜鉛（ＡＺＯ）、ガリウム添加酸化亜鉛（ＧＺＯ）、酸化インジウム亜鉛（ＩＺＯ）、酸化インジウムガリウム亜鉛（ＩＧＺＯ）、アンチモン添加酸化スズ（ＡＴＯ）、フッ素添加酸化スズ（ＦＴＯ）、フッ素添加酸化亜鉛（ＦＺＯ）、および、窒化チタンからなる群から選択される、請求項１４に記載の発電装置。

【請求項16】

前記基材は、厚さ方向に２００μｍ以上２０００μｍ以下の範囲の厚さを有し、面内方向に１００μｍ以上５０ｍｍ以下の範囲の一辺の長さを有する、請求項１～１５のいずれかに記載の発電装置。

【請求項17】

前記一対の薄膜のそれぞれは、１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲の厚さを有する、請求項１～１６のいずれかに記載の発電装置。

【請求項18】

前記光吸収層は、太陽電池を備える、請求項１～１７のいずれかに記載の発電装置。

【請求項19】

前記少なくとも１つの熱電発電素子は、前記一対の薄膜の面内に平行な方向と、前記光放射層および前記光吸収層の面内に平行な方向とのなす角が７０°以上９０°以下となるように位置する、請求項１～１８のいずれかに記載の発電装置。

【請求項20】

請求項１～１９のいずれかに記載の発電装置と、
前記発電装置と電気的に接続され、前記発電装置で発電された電力を貯蔵する貯蔵装置と
を備える、発電システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、発電装置、および、それを用いた発電システムに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、外部から電力等をかけて人工的に加熱、および／または、冷却をしなくても、自然光等の光を照射するだけで電流を得ることができる熱電変換素子が開発されている（例えば、特許文献１）。特許文献１によれば、可視光、及び、近赤外光を透過し、中赤外光を吸収し、かつ、スピン流を発生可能な、光放射－スピン流発生層と、光放射－スピン流発生層の少なくとも一部と接して配置された、スピン軌道相互作用を有する、スピン流－電流変換層と、可視光、及び、近赤外光を吸収する、光吸収層と、をこの順に有する積層体を備える熱電変換素子が開示される。

【0003】

特許文献１に記載の熱電変換素子は、スピン流発生層を用いることにより、スピンゼーベック効果を用いた発電を可能にするが、さらなる発電効率の向上が期待されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０２１－４００６６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

以上から、本発明の課題は、外部から電力等をかけて人工的に加熱、および／または、冷却をしなくても、自然光等の光を照射するだけで電流を得ることができる発電効率に優れた熱電装置、および、それを用いた発電システムを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明による発電装置は、可視光および近赤外光を透過し、中赤外光を吸収する光放射層と、可視光および近赤外光を吸収する光吸収層と、前記光放射層と前記光吸収層との間に少なくとも１つの熱電発電素子とを備え、前記少なくとも１つの熱電発電素子は、可視光および近赤外光を透過する基材と、前記基材の対向する主面にそれぞれ設けられ、可視光および近赤外光を透過し、かつ、ゼーベック係数の符号が互いに異なる熱電材料からなる一対の薄膜とを備え、前記少なくとも１つの熱電発電素子は、前記一対の薄膜の面内に平行な方向が、前記光放射層および前記光吸収層の面内に平行な方向に略垂直となるように位置し、これにより上記課題を解決する。
前記光放射層は、波長３８０ｎｍ以上２．５μｍ以下の範囲の光に対して７０％以上の透過率を有し、かつ、２．５μｍより大きく２０．０μｍ以下の範囲の光に対して７０％以上の吸収率を有してもよい。
前記光放射層は、無機材料、有機材料、および、これらの組み合わせからなる群から選択される材料からなってもよい。
前記光放射層は、２００μｍ以上１０００μｍ以下の範囲の厚さを有してもよい。
前記光吸収層は、波長３８０ｎｍ以上２．５μｍ以下の範囲の光に対して７０％以上の吸収率を有してもよい。
前記光吸収層は、黒色顔料を含有してもよい。
前記黒色顔料は、カーボン顔料、金属酸化物材料、および、有機顔料からなる群から選択されてもよい。
前記光吸収層は、１００μｍ以上２ｍｍ以下の範囲の厚さを有してもよい。
前記基材は、波長３８０ｎｍ以上２．５μｍ以下の範囲の光に対して７０％以上の透過率を有してもよい。
前記基材は、無機材料、有機材料、および、これらの組み合わせからなる群から選択されてもよい。
前記無機材料は、ソーダ石灰ガラス、ホウケイ酸ガラス、アルカリバリウムケイ酸ガラス、アルミノケイ酸ガラス、石英、および、合成溶融シリカからなる群から選択されるガラスであってもよい。
前記無機材料は、サファイア、コランダム、アルミナ、酸化マグネシウム、および、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）からなる群から選択されるセラミックであってもよい。
前記有機材料は、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ／ＯＰＰ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、塩化ビニル樹脂（ＰＶＣ）、ポリスチレン（ＰＳ／ＯＰＳ）、アクリル（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、トリアセテート（ＴＡＣ）、シクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）、および、ポリイミド（ＰＩ）からなる群から選択されるプラスチックであってもよい。
前記一対の薄膜は、ｐ型の熱電材料およびｎ型の熱電材料の組み合わせであってもよい。
前記ｐ型の熱電材料は、ヨウ化銅（ＣｕＩ）、および、Ｃｕ系デラフォサイト型酸化物（ＣｕＭＯ_２、Ｍは、アルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）、鉄（Ｆｅ）およびガリウム（Ｇａ）からなる群から少なくとも１種選択される）からなる群から選択され、前記ｎ型の熱電材料は、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、アルミニウム添加酸化亜鉛（ＡＺＯ）、ガリウム添加酸化亜鉛（ＧＺＯ）、酸化インジウム亜鉛（ＩＺＯ）、酸化インジウムガリウム亜鉛（ＩＧＺＯ）、アンチモン添加酸化スズ（ＡＴＯ）、フッ素添加酸化スズ（ＦＴＯ）、フッ素添加酸化亜鉛（ＦＺＯ）、および、窒化チタンからなる群から選択されてもよい。
前記基材は、厚さ方向に２００μｍ以上２０００μｍ以下の範囲の厚さを有し、面内方向に１００μｍ以上５０ｍｍ以下の範囲の一辺の長さを有してもよい。
前記一対の薄膜のそれぞれは、１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲の厚さを有してもよい。
前記光吸収層は、太陽電池を備えてもよい。
前記少なくとも１つの熱電発電素子は、前記一対の薄膜の面内に平行な方向と、前記光放射層および前記光吸収層の面内に平行な方向とのなす角が７０°以上９０°以下となるように位置してもよい。
本発明による発電システムは、上記発電装置と、前記発電装置と電気的に接続され、前記発電装置で発電された電力を貯蔵する貯蔵装置とを備え、これにより上記課題を解決する。

【発明の効果】

【0007】

本発明の発電装置は、可視光および近赤外光を透過し、中赤外光を吸収する光放射層と、可視光および近赤外光を吸収する光吸収層と、それらの間に少なくとも１つの熱電発電素子とを備える。このような構成により、日中は放射冷却と太陽熱との同時利用により、夜間は放射冷却により、熱電発電素子に温度勾配が生じ、発電し得る。特に、少なくとも１つの熱電発電素子は、可視光および近赤外光を透過する基材と、基材の対向する主面にそれぞれ設けられ、可視光および近赤外光を透過し、かつ、ゼーベック係数の符号が互いに異なる熱電材料からなる一対の薄膜とを備えるため、スピンゼーベック効果に比べて高い発電効果を示すゼーベック効果を利用できる。さらに、この熱電発電素子は、一対の薄膜の面内に平行な方向が、光放射層および光吸収層の面内に平行な方向に略垂直となるように位置する。これにより、光放射層と光吸収層との間の一対の薄膜の面内方向に大きな温度差（温度勾配）が生じる。その結果、発電効率がさらに増大するので、より多くの電力を生成できる。このような発電装置と貯蔵装置とを組み合わせることにより、発電システムを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本発明による発電装置を示す模式図

【図2】本発明による別の発電装置を示す模式図

【図3】本発明によるさらに別の発電装置を示す模式図

【図4】本発明による発電システムを示す模式図

【図5】実施例１の発電装置の外観を示す図

【図6】屋外における実施例１の発電装置の熱起電力の変化を示す図

【図7】屋内の各条件における実施例１の発電装置の熱起電力の変化を示す図

【図8】屋内の各条件における比較例１の発電装置の熱起電力の変化を示す図

【図9】屋内の別の条件における実施例１の発電装置の熱起電力の変化を示す図

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。なお、同様の要素には同様の番号を付し、その説明を省略する。
（実施の形態１）
実施の形態１では、本発明の発電装置およびその製造方法を詳述する。

【0010】

図１は、本発明による発電装置を示す模式図である。

【0011】

本発明の発電装置１００は、可視光および近赤外光を透過し、中赤外光を吸収する光放射層１１０と、可視光および近赤外光を吸収する光吸収層１２０と、これらの間に少なくとも１つの熱電発電素子１３０とを備える。少なくとも１つの熱電発電素子１３０は、可視光および近赤外光を透過する基材１４０と、基材１４０の対向する主面にそれぞれ設けられ、可視光および近赤外光を透過し、かつ、ゼーベック係数の符号が互いに異なる熱電材料からなる一対の薄膜１５０、１６０とを備える。

【0012】

ここで、少なくとも１つの熱電発電素子１３０は、一対の薄膜１５０、１６０の面内に平行な方向（例えば、矢印Ａ）が、光放射層１１０および光吸収層１２０の面内に平行な方向（例えば、矢印Ｂ）に対して略垂直となるように位置する。本発明の発電装置１００において、光吸収層１２０の主面は、光放射層１１０の主面と対向している。そのため、これらの面内に平行な方向は実質的に同じとなるため、ここでは矢印Ｂとして示す。

【0013】

本発明の発電装置１００は、高い発電効果を示すゼーベック効果を利用するため、発電効率に優れる。さらに、本発明の発電装置１００は、光放射層１１０と光吸収層１２０との間の一対の薄膜１５０、１６０の面内方向に温度勾配を生じるので、発電効率がさらに増大し、より多くの電力を生成できる。

【0014】

まず、本発明の発電原理について説明する。
本発明の発電装置１００を屋外に配置した場合を想定する。日中、発電装置１００には自然光ｈνが入射する。光放射層１１０は、自然光のうち、可視光および近赤外光を透過し、中赤外光を吸収する。ここで、一般に、自然光（地表で観測される太陽光、例えば、ＡＭ１．５Ｇ）には、中赤外光はほとんど含まれていないことが知られている。光放射層１１０は、自然光の主要成分である可視光および近赤外光を透過し、かつ、自然光には中赤外光がほとんど含まれないことから、光放射層１１０は、自然光の照射による温度上昇はほとんどない。

【0015】

光放射層１１０を透過した可視光および近赤外光は、光吸収層１２０に到達し、光吸収層１２０に吸収される。可視光および近赤外光を吸収した光吸収層１２０は、光加熱により温度上昇する。その結果、光放射層１１０は、光吸収層１２０と比較して、相対的に温度が低くなり、光放射層１１０と光吸収層１２０との間には発電装置１００の厚さ方向に沿った温度勾配（光吸収層１２０側の温度が高く、光放射層１１０側の温度が低い）が生じる。

【0016】

また、光放射層１１０は、中赤外光の吸収率が高い、すなわち、中赤外光の放射率が高いため、光放射層１１０からは、相対的に温度の低い空間（この場合、宇宙空間）へと熱放射が起こりやすい。これにより、光放射層１１０は、日中でも放射冷却効果によって冷却される。その結果、光放射層１１０は、光吸収層１２０と比較して、相対的に温度が低くなり、光放射層１１０と光吸収層１２０との間の温度勾配が生じる。

【0017】

この温度勾配は、熱電発電素子１３０の一対の薄膜１５０、１６０の厚さ方向ではなく、薄膜の面内方向に生じるので、より大きな温度勾配となり、発電効率が向上し得る。加えて、自然光は、光放射層１１０を透過したものだけでなく、光吸収層１２０に直接入射するもの（例えば、自然光ｈν’）もあるため、より大きな温度勾配が期待できる。このように、日中は、光の照射および放射冷却の同時利用による熱電発電を可能にする。

【0018】

一方、夜間においては、自然光の入射はないものの、光放射層１１０からの放射冷却が生じるため、光放射層１１０は、光吸収層１２０と比較して、相対的に温度が低くなる。この結果、夜間においても、光放射層１１０と光吸収層１２０との間に温度勾配が生じる。しかも、その温度勾配は、光吸収層１２０側の温度が高く、光放射層１１０側の温度が低くなるため、光照射の有無によらず、熱電発電素子１３０から取り出される熱起電力の符号（極性）は同一となる。

【0019】

このように、本発明の発電装置１００は、光放射層１１０側から光を照射する場合には、光照射および放射冷却が相乗的に作用し、光放射層１１０側の温度が低く、光吸収層１２０側の温度が相対的に高い温度勾配を生じ、光を照射しない場合にも、放射冷却により、同一方向に温度勾配を生じるため、外部から電力等をかけて人工的に加熱、および／または、冷却をしなくても、自然光等の光を照射するだけで、電力を得ることができる。さらに、この温度勾配は、熱電発電素子１３０の一対の薄膜１５０、１６０の厚さ方向ではなく、薄膜の面内方向に生じるので、より大きな温度勾配となり、発電効率が劇的に向上し得る。

【0020】

次に、各構成要素について詳細に説明する。
光放射層１１０は、可視光および近赤外光を透過し、中赤外光を吸収する材料からなれば特に制限はない。ここで、本願明細書では、可視光は、３８０ｎｍ以上７８０ｎｍ以下の範囲の波長を有する光であり、近赤外光は、７８０ｎｍより大きく２．５μｍ以下の範囲の波長を有する光であり、中赤外光は、２．５μｍより大きく２０．０μｍ以下の範囲の波長を有する光である。

【0021】

光放射層１１０が可視光および近赤外光を透過するとは、厚さ２００μｍの光放射層１１０において、上記波長を有する光を６０％以上透過するものである。６０％以上の透過率を有すれば、光吸収層１２０の温度を上昇させることができるので、光放射層１１０と光吸収層１２０との間に温度勾配を生じることができる。発電効率の観点から、光放射層１１０は、好ましくは、厚さ２００μｍにおいて、可視光および近赤外光を７０％以上、より好ましくは、８０％以上、透過する。上限は１００％であってよい。

【0022】

光放射層１１０が中赤外光を吸収するとは、厚さ２００μｍの光放射層１１０において、上記波長を有する光を６０％以上吸収するものである。６０％以上の吸収率を有すれば、光放射層１１０は熱放射するので、光放射層１１０と光吸収層１２０との間に温度勾配を生じることができる。発電効率の観点から、光放射層１１０は、好ましくは、厚さ２００μｍにおいて、中赤外光を７０％以上、より好ましくは、８０％以上、吸収する。上限は１００％であってよい。

【0023】

光放射層１１０の可視光および近赤外光の透過率と、中赤外光の透過率とは、上記範囲から適宜組み合わせてよいが、好ましくは、厚さ２００μｍにおいて、波長３８０ｎｍ以上２．５μｍ以下の範囲の光（可視光および近赤外光）に対して７０％以上の透過率を有し、かつ、２．５μｍより大きく２０．０μｍ以下の範囲の光（中赤外光）に対して７０％以上の吸収率を有する。より好ましくは、厚さ２００μｍにおいて、可視光および近赤外光に対して８０％以上の透過率を有し、かつ、中赤外光に対して８０％以上の吸収率を有する。

【0024】

光放射層１１０は、無機材料、有機材料、および、これらの組み合わせからなる群から選択される材料からなる。これらの組み合わせの例としては、無機材料からなる薄膜と、有機材料からなる薄膜との多層膜であってよい。

【0025】

無機材料は、好ましくは、シリカ等のガラスであり、より好ましくは、ソーダ石灰ガラス、ホウケイ酸ガラス、アルカリバリウムケイ酸ガラス、アルミノケイ酸ガラス、石英、および、合成溶融シリカからなる群から選択されるガラスである。これらは、上記波長に対する透過率および吸収率を有する。

【0026】

無機材料は、好ましくは、セラミックであり、より好ましくは、サファイア、コランダム、アルミナ、酸化マグネシウム、および、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）からなる群から選択されるセラミックである。これらは、上記波長に対する透過率および吸収率を有する。

【0027】

有機材料は、好ましくは、プラスチック等のポリマーであり、より好ましくは、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ／ＯＰＰ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、塩化ビニル樹脂（ＰＶＣ）、ポリスチレン（ＰＳ／ＯＰＳ）、アクリル（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、トリアセテート（ＴＡＣ）、シクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）、および、ポリイミド（ＰＩ）からなる群から選択されるプラスチックである。これらは、上記波長に対する透過率および吸収率を有する。

【0028】

光放射層１１０の厚さは、特に制限はないが、例示的には、２００μｍ以上１０００μｍ以下の範囲である。この範囲であれば、透過率の調整が容易である。光放射層１１０の厚さは、より好ましくは、２００μｍ以上５００μｍ以下、なお好ましくは、２００μｍ以上３００μｍ以下の範囲である。この範囲であれば、可視光および近赤外光に対して高い透過率を有し、中赤外光に対して高い吸収率を有することができる。

【0029】

光吸収層１２０は、上述の波長を有する可視光および近赤外光を吸収する材料からなれば特に制限はない。光吸収層１２０が可視光および近赤外光を吸収するとは、上記波長を有する光を６０％以上吸収するものである。６０％以上吸収すれば、光吸収層１２０の温度を上昇し、光放射層１１０と光吸収層１２０との間に温度勾配を生じることができる。発電効率の観点から、光吸収層１２０は、好ましくは、厚さ５００μｍにおいて、可視光および近赤外光を７０％以上、より好ましくは、８０％以上、吸収する。上限は１００％であってよい。

【0030】

光吸収層１２０の成分としては特に制限はないが、黒色顔料を含有することが好ましい。黒色顔料は、カーボン顔料、金属酸化物材料、および、有機顔料からなる群から選択されてよい。カーボン顔料は、例えば、活性炭、カーボンブラック等のカーボン材料である。金属酸化物材料は、例えば、クロム（Ｃｒ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、鉄（Ｆｅ）、マンガン（Ｍｎ）、銅（Ｃｕ）等の金属酸化物である。有機顔料は、例えば、アニリンブラック、ラクタムブラック、ペリレンブラック等の有機材料である。

【0031】

黒色顔料は、ケイ素化合物、アルミニウム化合物、有機物等で表面処理された表面処理済み顔料であってもよい。表面処理としては、例えば、（メタ）アクリルシラン処理、アルキル化処理、トリメチルシリル化処理、シリコーン処理、カップリング剤による処理等が挙げられる。

【0032】

特に制限されないが、光吸収層１２０は、黒色顔料と樹脂とを含有する黒色塗料により得られた塗膜であることが好ましい。黒色塗料が含有する樹脂としては特に制限されず、（メタ）アクリル系樹脂、ポリエステル系樹脂、ポリアミド系樹脂、ビニル系樹脂、エポキシ樹脂等の公知の樹脂が挙げられる。このような黒色塗料は、ガラス基板、プラスチック基板、半導体基板、セラミック基板、金属基板等各種基板に塗布されてよい。これにより発電装置１００の取り扱いが容易になる。

【0033】

黒色塗料は、上記以外に、硬化剤、界面活性剤、溶媒、顔料、染料、フィラー等を含有していてもよい。

【0034】

光吸収層１２０の厚さは、特に制限はないが、例示的には、１００μｍ以上２ｍｍ以下の範囲である。この範囲であれば、吸収率の調整が容易である。光吸収層１２０の厚さは、より好ましくは、３００μｍ以上１．５ｍｍ以下、なお好ましくは、５００μｍ以上１．２ｍｍ以下の範囲である。この範囲であれば、可視光および近赤外光に対して高い吸収率を有することができる。なお、光吸収層１２０が黒色塗料の塗膜を付与した基板からなる場合、光吸収層１２０の厚さは、塗膜と基板とを合わせた厚さであってよい。

【0035】

熱電発電素子１３０の基材１４０は、その主面に薄膜を形成可能なものであれば制限はないが、好ましくは、可視光および近赤外光を透過する材料からなるとよい。これにより、基材１４０は自然光を透過するので、光吸収層１２０の温度をさらに上昇できる。その結果、光放射層１１０と光吸収層１２０との間により大きな温度勾配を生じる。

【0036】

基材１４０は、光放射層１１０と同様に、厚さ２００μｍにおいて、波長３８０ｎｍ以上２．５μｍ以下の範囲の光（可視光および近赤外光）に対して６０％以上の透過率を有するものを採用できる。基材１４０は、より好ましくは、可視光および近赤外光に対して７０％以上、なおさらに好ましくは、８０％以上の透過率を有する。上限は１００％であってよい。

【0037】

基材１４０の材料としては、上述の光放射層１１０の材料と同じものを採用でき、無機材料、有機材料、および、これらの組み合わせからなる群から選択される材料からなる。これらの組み合わせの例としては、無機材料からなる薄膜と、有機材料からなる薄膜との多層膜であってよい。

【0038】

無機材料は、好ましくは、シリカ等のガラスであり、より好ましくは、ソーダ石灰ガラス、ホウケイ酸ガラス、アルカリバリウムケイ酸ガラス、アルミノケイ酸ガラス、石英、および、合成溶融シリカからなる群から選択されるガラスである。これらは、上記波長に対する透過率を有する。

【0039】

無機材料は、好ましくは、セラミックであり、より好ましくは、サファイア、コランダム、アルミナ、酸化マグネシウム、および、イットリウム・アルミニウム・ガーネット（ＹＡＧ）からなる群から選択されるセラミックである。これらは、上記波長に対する透過率を有する。

【0040】

有機材料は、好ましくは、プラスチック等のポリマーであり、より好ましくは、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ／ＯＰＰ）、ポリエチレンナフタレート（ＰＥＮ）、塩化ビニル樹脂（ＰＶＣ）、ポリスチレン（ＰＳ／ＯＰＳ）、アクリル（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、トリアセテート（ＴＡＣ）、シクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）、および、ポリイミド（ＰＩ）からなる群から選択されるプラスチックである。これらは、上記波長に対する透過率を有する。

【0041】

基材１４０の大きさには、特に制限はないが、例示的には、厚さ方向に２００μｍ以上２ｍｍ以下の範囲の厚さを有し、面内方向に１００μｍ以上５０ｍｍ以下の範囲の一辺の長さを有する。この範囲であれば、取り扱いが簡便であり、主面への薄膜の形成も容易である。基材１４０は、好ましくは、厚さ方向に５００μｍ以上１ｍｍ以下の範囲の厚さを有し、面内方向に５ｍｍ以上１５ｍｍ以下の範囲の一辺の長さを有する。これにより、薄膜１５０、１６０の面内方向により大きな温度勾配を発生させることができる。

【0042】

薄膜１５０、１６０は、可視光および近赤外光を透過し、かつ、ゼーベック係数の符号が互いに異なる熱電材料からなる一対の薄膜であれば、特に制限はない。ここでも、薄膜１５０、１６０は、基材１４０と同様に、厚さ１００ｎｍにおいて、波長３８０ｎｍ以上２．５μｍ以下の範囲の光（可視光および近赤外光）に対して６０％以上の透過率を有するものを採用できる。薄膜１５０、１６０は、より好ましくは、可視光および近赤外光に対して７０％以上、なおさらに好ましくは、８０％以上の透過率を有する。これにより、熱電発電素子１３０は、自然光を透過し、光吸収層１２０の温度をさらに上昇できる。その結果、光放射層１１０と光吸収層１２０との間により大きな温度勾配を生じる。なお、上限は１００％であってよい。

【0043】

一対の薄膜１５０、１６０のゼーベック係数の符号が互いに異なるとは、薄膜１５０、１６０は、互いに異なる伝導型の熱電材料であり、ｐ型の熱電材料（ゼーベック係数：正の値）およびｎ型の熱電材料（ゼーベック係数：負の値）の組み合わせである。例えば、薄膜１５０がｐ型の熱電材料からなり、薄膜１６０がｎ型の熱電材料からなる場合、薄膜１５０、導電性物質１７０、薄膜１６０の順で電流が流れる。詳細には、薄膜１５０の正孔が高温側の光吸収層１２０から熱エネルギーを得て、低温側の光放射層１１０に接した導電性物質１７０へ移動し、熱エネルギーを放出し、次いで、薄膜１６０の電子が高温側から熱エネルギーを得る。薄膜１５０、１６０の伝導型が逆の場合は、逆方向に電流が流れる。

【0044】

なお、図１では、薄膜１５０、１６０は、導電性物質１７０によって電気的に接続されており、例えば、薄膜１５０から薄膜１６０へと電流が流れる。このような導電性物質１７０は、アルミニウム（Ａｌ）、ニッケル（Ｎｉ）、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）等の通常の電極材料であってもよいし、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）などに代表される透明導電膜であってもよい。

【0045】

ｐ型の熱電材料は、好ましくは、ヨウ化銅（ＣｕＩ）、および、Ｃｕ系デラフォサイト型酸化物（ＣｕＭＯ_２、Ｍは、アルミニウム（Ａｌ）、クロム（Ｃｒ）、鉄（Ｆｅ）およびガリウム（Ｇａ）からなる群から少なくとも１種選択される）からなる群から選択される。これらは、可視光および近赤外光を透過し、ｐ型の伝導型を有し、正の値のゼーベック係数を有する熱電材料であることが知られている。

【0046】

ｎ型の熱電材料は、好ましくは、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、アルミニウム添加酸化亜鉛（ＡＺＯ）、ガリウム添加酸化亜鉛（ＧＺＯ）、酸化インジウム亜鉛（ＩＺＯ）、酸化インジウムガリウム亜鉛（ＩＧＺＯ）、アンチモン添加酸化スズ（ＡＴＯ）、フッ素添加酸化スズ（ＦＴＯ）、フッ素添加酸化亜鉛（ＦＺＯ）、および、窒化チタンからなる群から選択される。これらは、可視光および近赤外光を透過し、ｎ型の伝導型を有し、負の値のゼーベック係数を有する熱電材料であることが知られている。

【0047】

薄膜１５０、１６０は、好ましくは、１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲の厚さを有する。この範囲であれば、品質の優れた膜となり、可視光および近赤外光に対して優れた透過率を有する。薄膜１５０、１６０は、より好ましくは、１００ｎｍ以上３００ｎｍ以下の範囲である。なお、薄膜１５０、１６０の厚さは、同じであっても、異なっていてもよい。

【0048】

熱電発電素子１３０は、図１に示すように、一対の薄膜の面内に平行な方向（矢印Ａ）が、光放射層１１０および光吸収層１２０の面内に平行な方向（矢印Ｂ）に対して略垂直となるように位置することを特徴とする。これにより、光放射層１１０と光吸収層１２０との間で、熱電発電素子１３０の薄膜１５０、１６０の面内方向に温度勾配を生じる。この温度勾配は、例えば、図８に示す熱電発電素子（すなわち、熱電材料からなる薄膜の面内に平行な方向が、光放射層および光吸収層の面内に平行な方向と同じ場合）における薄膜の温度勾配（この場合は薄膜の厚さ方向に生じる）に比べて劇的に大きな温度差となる。この結果、大きな熱起電力を得ることができる。

【0049】

略垂直となるように位置するとは、矢印Ｂに対する矢印Ａのなす角（鋭角）が７０°以上９０°以下である。この範囲であれば、薄膜１５０、１６０の面内方向に温度勾配を効率的に生じさせることができる。より好ましくは、矢印Ｂに対する矢印Ａのなす角（鋭角）が８０°以上９０°以下である。この範囲であれば、薄膜１５０、１６０の面内方向により大きな温度勾配を効率的に生じさせ、熱電発電素子１３０の固定も容易である。

【0050】

発電効率や熱電発電素子の安定性の観点から、一対の薄膜１５０、１６０の面内に平行な方向は光放射層１１０および光吸収層１２０の面内に平行な方向に対して略垂直であることが好ましいが、薄膜の面内方向と光放射層および光吸収層の面内方向とが平行でない限り、図８に示す熱電発電素子よりも発電効率は向上する。例えば、薄膜の面内方向と、光放射層および光吸収層の面内方向とのなす角（鋭角）が０°より大きく７０°未満となるように、光放射層と光吸収層との間に熱電発電素子を配置した発電装置を実現してもよい。

【0051】

本発明の発電装置１００の製造方法は特に制限はなく、公知の方法で製造されてよい。例えば、まず光放射層１１０および光吸収層１２０を用意する。次いで、基材１４０の主面のそれぞれに、物理的気相成長法、化学的気相成長法等により熱電材料からなる一対の薄膜１５０、１６０を成膜し、熱電発電素子１３０を製造する。次いで、この熱電発電素子１３０を、薄膜１５０、１６０の面内に平行な方向が、光吸収層１２０の面内に平行な方向に対して略垂直となるように配置する。次いで、一対の薄膜１５０、１６０を導電性物質等で電気的に接続し、その上に光放射層１１０を、薄膜１５０、１６０の面内に平行な方向が、光放射層１１０の面内に平行な方向に対して略垂直となるように配置すればよい。

【0052】

図２は、本発明による別の発電装置を示す模式図である。

【0053】

本発明の別の発電装置２００は、３個の熱電発電素子１３０が導電性物質２１０を介して交互に電気的に直列に接続されている以外は、図１の発電装置１００と同様であるため、重複する説明を省略する。このように複数の熱電発電素子１３０を接続することにより、熱起電力を大きくできる。図２では３個の熱電発電素子１３０を示すが、熱電発電素子の個数は３個に限らない。

【0054】

図３は、本発明によるさらに別の発電装置を示す模式図である。

【0055】

本発明のさらに別の発電装置３００は、光吸収層１２０が太陽電池３１０を備えている以外は、図１の発電装置１００と同様であるため、重複する説明を省略する。太陽電池３１０は、光電変換するものであれば特に制限はなく、任意の太陽電池モジュール、太陽電池パネルであってよい。

【0056】

太陽電池３１０を光吸収層１２０上に設置することにより、昼間の熱起電力を増大させることができる。自然光（太陽光）のうち、太陽電池３１０が電気に変換するに使用しない光は、太陽電池３１０に吸収され、太陽電池３１０そのものが光吸収層としても機能し得る。その結果、光放射層１１０と、太陽電池３１０および光吸収層１２０との間にさらに大きな温度勾配を生じるので、より大きな熱起電力を得ることができる。

【0057】

当然ながら、図３の発電装置３００に図２の発電装置２００の複数の熱電発電素子１３０を組み合わせてもよく、このような改変も本発明の一部である。

【0058】

図１～図３では、一対の薄膜１５０、１６０は、発電効率の観点から、ゼーベック係数の符号が互いに異なる熱電材料からなるものとして説明してきたが、一対の薄膜１５０、１６０は、ゼーベック係数の絶対値に差があれば、ゼーベック係数の符号が同一であっても、熱エネルギーを電気に変えることは可能である。このような改変も本発明の一部である。

【0059】

（実施の形態２）
実施の形態２では、実施の形態１で説明した本発明の発電装置を用いた発電システムについて説明する。

【0060】

図４は、本発明による発電システムを示す模式図である。

【0061】

本発明の発電システムは、発電装置４１０と、発電装置４１０に電気的に接続され、発電装置４１０で発電された電力を貯蔵する貯蔵装置４２０とを備える。発電装置４１０は、図１～図３を参照して説明した本発明の発電装置１００、２００、３００であるため説明を省略する。図４では、発電装置４１０は、建造物の屋根に配置されているが、自然光を照射できる環境である限り、これに限らない。

【0062】

貯蔵装置４２０は、電力を貯蔵できるものであれば特に制限はないが、例えば、鉛蓄電池、アルカリ蓄電池等の二次電池、セラミックスコンデンサ、フィルムコンデンサ等のコンデンサが挙げられる。

【0063】

発電装置４１０は、日中は光照射と放射冷却により、夜間は放射冷却により、同一符号の熱起電力を生成し、生成した電力を貯蔵装置４２０に貯蔵することにより、外部から電力等をかけて人工的に加熱、および／または、冷却をすることなく、自然光等の光を利用した、電力を供給可能な発電システムを提供できる。

【0064】

次に具体的な実施例を用いて本発明を詳述するが、本発明がこれら実施例に限定されないことに留意されたい。

【実施例0065】

［実施例１］
実施例１では、光放射層としてＰＥＴシートを、光吸収層として黒色塗料で被覆されたアクリル板を、熱電発電素子として対向する主面のそれぞれにＩＧＺＯおよびＣｕＩを有するガラス基板を用いた発電装置を製造した。

【0066】

洗浄したアクリル板（光社製、Ａ９６０－２Ｍ、１８ｍｍ×１８ｍｍ×１ｍｍ）の表面に黒色塗料（イチネンＴＡＳＣＯ社製、ＴＡ４１０ＫＳ）を塗布し、被膜を形成した。被膜の厚さは、約２０μｍであった。被膜付アクリル板の透過スペクトル（波長３８０ｎｍ以上２．５μｍ以下の範囲）を、紫外可視近赤外分光光度計（日本分光株式会社製、Ｖ－５７０）で測定したところ、被膜付アクリル板は、上記波長域において９０％以上の吸収率を有した。

【0067】

洗浄したホウケイ酸ガラス基板（ＳＣＨＯＴＴ社製、Ｄ２６３Ｔｅｃｏ、１０ｍｍ×１０ｍｍ×０．７ｍｍ）の一方の主面にＣｕＩ薄膜を成膜し、対向する他方の主面にＩＧＺＯ薄膜を成膜した。ガラス基板の透過スペクトル（波長３８０ｎｍ以上２．５μｍ以下の範囲）を測定したところ、ガラス基板は、上記波長域において９０％以上の透過率を有した。なお、厚さ２００μｍに換算したところ、透過率は９０％以上であることが分かった。

【0068】

ＣｕＩ薄膜（２００ｎｍ）は次のようにして成膜した。ガラス基板の一方の主面にＥＢ蒸着によりＣｕ膜（４０ｎｍ）を蒸着し、次いで、Ｃｕ膜をヨウ素化した。ヨウ素化は、大気圧下でヨウ素ガス中にＣｕ膜を２時間暴露させた。ＣｕＩ薄膜の透過スペクトル（波長３８０ｎｍ以上２．５μｍ以下の範囲）を測定したところ、ＣｕＩ薄膜は、上記波長域において８０％以上の透過率を有した。このとき、ガラス基板の透過スペクトルはバックグラウンドとして除去された。なお、厚さ１００ｎｍに換算したところ、透過率は９０％以上であることが分かった。

【0069】

ＩＧＺＯ薄膜（１５０ｎｍ）は次のようにして成膜した。ＣｕＩ膜が形成されたガラス基板のもう一方の主面にスパッタによりＩＧＺＯ膜を成膜した。スパッタ条件は以下のとおりであった。
ターゲット；酸化インジウム（Ｉｎ_２Ｏ_３）ターゲット、酸化ガリウム（Ｇａ_２Ｏ_３）ターゲット、酸化亜鉛（ＺｎＯ）ターゲット、
圧力；０.０１Ｐａ、
ＤＣ出力；２００Ｗ、
温度；室温（２５℃）、
スパッタガス；アルゴンガス（流量１９．６ｓｃｃｍ）および酸素ガス（流量０．４ｓｃｃｍ）
基板－ターゲット間距離；１０ｃｍ

【0070】

ＩＧＺＯ薄膜の透過スペクトル（波長３８０ｎｍ以上２．５μｍ以下の範囲）を測定したところ、ＩＧＺＯ薄膜は、上記波長域において８０％以上の透過率を有した。このとき、ＣｕＩ薄膜およびガラス基板の透過スペクトルはバックグラウンドとして除去された。なお、厚さ１００ｎｍに換算したところ、透過率は８５％以上であることが分かった。

【0071】

次いで、ＩＧＺＯ薄膜とＣｕＩ薄膜が成膜された基板の側面にアルミ箔を銀ペースト（藤倉化成社製、Ｄ－５００）で張り付け、ＩＧＺＯ薄膜とＣｕＩ薄膜とを電気的に導通させた。このようにして熱電発電素子を形成した。

【0072】

黒色塗料で被覆されたアクリル板上に熱電発電素子を配置し、その上に、ＰＥＴシート（東レ社製、ルミラーＴ６０、２５ｍｍ×２５ｍｍ×０．２５ｍｍ）を配置し、発電装置を得た。ＰＥＴシートの透過スペクトル（波長３８０ｎｍ以上２．５μｍ以下の範囲）を測定したところ、ＰＥＴシートは、上記波長域において８０％以上の透過率を有した。なお、厚さ２００μｍに換算したところ、透過率は８５％以上であることが分かった。また、ＰＥＴシートの別の透過スペクトル（２．５μｍより大きく２０．０μｍ以下の範囲）を、フーリエ変換赤外分光装置（サーモフィッシャーサイエンティフィック株式会社製、ｉＳ５０Ｒ)により測定したところ、ＰＥＴシートは、上記波長域において８０％以上の吸収率であった。なお、厚さ２００μｍに換算したところ、吸収率は７５％以上であることが分かった。

【0073】

ここで、熱電発電素子のＩＧＺＯ薄膜およびＣｕＩ薄膜の面内に平行な方向が、黒色塗料で被覆されたプラスチックの面内に平行な方向と略垂直（なす角９０°）となるように配置した。安定性のため、黒色塗料で被覆されたプラスチックの表面に切り込みを入れ、熱電発電素子を差し込んで、固定した。その後、電気的コンタクトを取るためにＩＧＺＯ薄膜およびＣｕＩ薄膜の下端に導線を取付け、この上に、黒色塗料で被覆されたプラスチックの面内に平行な方向と並行となるようにＰＥＴシートを配置した。このようにして実施例１の発電装置が得られた。実施例１の発電装置の外観を図５に示す。

【0074】

実施例１の発電装置を用いて、屋外（２０２２年５月２５日～２６日）における熱起電力の変化を測定した。結果を図６に示す。実施例１の発電装置を用いて、屋内（気温２５℃、相対湿度４５％）における熱起電力の変化を測定した。屋内においても屋外同様の環境を再現するため、宇宙の代わりに表面を前述の黒体塗料で塗布したペルチェモジュール（ビックス社製、ＬＶＰＵ－４０）、太陽の代わりにソーラーシミュレータ（擬似太陽光照射装置；Ｐｅｃｃｅｌ社製、ＰＥＣ－Ｌ０１）を使用した。なお、ペルチェモジュールは、発電装置との距離が約６ｃｍとなるよう配置し、かつ、摂氏０度に冷却するよう調整した。擬似太陽光照射装置は、発電装置に照射する擬似太陽光強度が３３３ｍＷ／ｃｍ^２となるよう調整した。結果を図７に示す。次いで、ソーラーシミュレータを使用せず、ペルチェモジュールを－１０℃～６０℃まで変化させた際の熱起電力の変化を測定した。結果を図９に示す。

【0075】

［比較例１］
比較例１では、光放射層としてＩＴＯ薄膜を、光吸収層として黒色塗料で被覆されたガラス基板を、熱電発電素子としてＩＧＺＯおよびＣｕＩを用いた発電装置を製造した。

【0076】

洗浄したガラス基板の表面に黒色塗料を塗布し、被膜を形成した。被膜の厚さは、２０μｍであった。ガラス基板のもう一方の主面に、実施例１と同様にして、透明電極（ＩＴＯ薄膜、１００ｎｍ）を形成し、その上に、ＣｕＩ薄膜（３００ｎｍ）およびＩＧＺＯ薄膜（３００ｎｍ）を並列して形成し、これらＣｕＩ薄膜およびＩＧＺＯ薄膜を透明電極（ＩＴＯ薄膜、１００ｎｍ）で接続した。各薄膜を形成する領域を限定するために、メタルマスクを使用した。このようにして比較例１の発電装置が得られた。

【0077】

比較例１の発電装置を用いて、疑似太陽光強度を５００ｍＷ／ｃｍ^２にした以外は、実施例１と同様に、屋内における熱起電力を測定した。結果を図８に示す。

【0078】

以上の結果をまとめて説明する。
図５は、実施例１の発電装置の外観を示す図である。

【0079】

図５によれば、実施例１の発電装置は、光放射層（ＰＥＴシート）と、光吸収層（黒色塗料で被覆されたアクリル板）と、ガラス基板の対向する主面に透明な熱電材料からなる薄膜を備えた熱電発電素子とを備え、薄膜の面内に平行な方向が、ＰＥＴシートおよびアクリル板の面内に平行な方向に略垂直となっている様子が分かる。

【0080】

実施例１の発電装置（図５）および比較例１の発電装置（図８の模式図）を用いて、熱電発電素子に生じる温度差（ΔＴ）、すなわち、光放射層と光吸収層との間に生じる温度勾配（温度差（ΔＴ））を数値計算した。設定条件は、太陽光強度が３３３ｍＷ／ｃｍ^２であり、温度が２５℃とした。数値計算には、有限要素法に基づくシミュレーションソフト、ＣＯＭＳＯＬ Ｍｕｌｔｉｐｈｙｓｉｃｓを用いた。その結果、実施例１の発電装置によれば、ΔＴは１Ｋを超えることが分かった。一方、比較例１の発電装置によれば、ΔＴは１ｍＫ以下であった。このことから、本発明の発電装置の発電効率は高いことが示唆される。

【0081】

図６は、屋外における実施例１の発電装置の熱起電力の変化を示す図である。

【0082】

図６によれば、実施例１の発電装置は１ｍＶ台の熱起電力を発生し、昼夜で熱起電力の符号が反転しないことが確認された。このことは、昼夜通して、熱電発電素子には同じ方向に温度差が生じていることを示しており、同一の極性の電流を取り出すことができる。

【0083】

図６では、１つの熱電発電素子のみを備える発電装置の結果を示したが、熱電発電素子を複数直列に接続することにより、熱起電力を増大できることは言うまでもない。また、太陽電池を光吸収層上に設置することにより、昼間の熱起電力を増大させることもできる。太陽電池は太陽光の全ての波長を電気に変換するわけではなく、光電変換に使われなかった波長は太陽電池ひいては素子下部を加熱するため、光吸収層として機能する。この場合、熱電発電素子および太陽電池から得られた電力を組み合わせて使用してもよいし、これらを貯蔵装置に蓄積することもできる。

【0084】

図７は、屋内の各条件における実施例１の発電装置の熱起電力の変化を示す図である。
図８は、屋内の各条件における比較例１の発電装置の熱起電力の変化を示す図である。

【0085】

図７および図８において、左から、「放射冷却のみ」、「疑似太陽光のみ」、「放射冷却と疑似太陽光との同時利用」の条件における熱起電力が示される。図７によれば、実施例１の発電装置は、いずれの場合も、同符号の熱起電力を発生し、特に、放射冷却と疑似太陽光との同時利用によって熱起電力（０．８ｍＶ）が増大することが分かった。この値は、「放射冷却のみ」の熱起電力と、「疑似太陽光のみ」の熱起電力との和に一致した。

【0086】

一方、図８によれば、比較例１の発電装置は、いずれの場合も、同符号の熱起電力を発生するが、放射冷却と疑似太陽光との同時利用によっても、その熱起電力はわずか０．０８ｍＶ程度であり、この値は実施例１と比較して１桁以上低かった。

【0087】

このことから、本発明の発電装置のように、一対の薄膜（ＩＧＺＯ薄膜およびＣｕＩ薄膜）の面内に平行な方向が、光放射層（ＰＥＴシート）および光吸収層（黒色塗料付アクリル基板）の面内に平行な方向に略垂直となるように位置することにより、一対の薄膜の面内方向に大きな温度差が発生することが示された。

【0088】

図９は、屋内の別の条件における実施例１の発電装置の熱起電力の変化を示す図である。

【0089】

図９には、ソーラーシミュレータを使用せず、ペルチェモジュールを－１０℃～６０℃まで変化させた際の、実施例１の発電装置の熱起電力の変化が示される。図９によれば、放射冷却と放射加熱との間で異なる符号の熱起電力が発生することが分かった。このことから光放射層が放射冷却では冷却され、放射加熱では加熱されることが確認された。

【産業上の利用可能性】

【0090】

本発明の発電装置は、外部から電力等をかけて人工的に加熱、および／または、冷却をしなくても、屋外に設置して自然光等の光を照射したり、放射冷却させたりするだけで環境発電することができ、発電効率に優れるため、オフグリッドのセンサー等の給電用途に適用できる。また、本発明の発電装置を貯蔵装置と組み合わせることにより発電システムを提供できる。

【符号の説明】

【0091】

１００、２００、３００、４１０ 発電装置
１１０ 光放射層
１２０ 光吸収層
１３０ 熱電発電素子
１４０ 基材
１５０、１６０ 薄膜
１７０、２１０ 導電性物質
３１０ 太陽電池
４２０ 貯蔵装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】