特許 7384401 発電素子、発電装置、電子機器及び発電素子の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-11-13

(45)【発行日】2023-11-21

(54)【発明の名称】発電素子、発電装置、電子機器及び発電素子の製造方法

(51)【国際特許分類】

   H10N 15/00 20230101AFI20231114BHJP

   H02N 11/00 20060101ALI20231114BHJP

【ＦＩ】

H10N15/00

H02N11/00 A

【請求項の数】 7

(21)【出願番号】P 2020039952

(22)【出願日】2020-03-09

(65)【公開番号】P2021141280

(43)【公開日】2021-09-16

【審査請求日】2023-03-03

(73)【特許権者】

【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

【審査官】柴山 将隆

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１８－０１９０４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特許第６５９８３３９（ＪＰ，Ｂ１）

【文献】特開２０２０－６８２３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１５／２２９０１３（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開２０１４－２３６０５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００２－５４０６３６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ１０Ｎ １５／００

Ｈ０２Ｎ １１／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

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、
縮退していないｎ型半導体である非縮退部と、前記ｎ型半導体の第１の面に設けられた第１の電極部と、前記第１の電極部を支持する支持部と、を有する第１のセルと、
前記第１の面と第１の方向において対向し、前記第１の電極部と離間し、前記第１の電極部とは異なる仕事関数を有する第２の電極部と、
前記第１の電極部と前記第２の電極部との間に設けられ、前記第１の電極部の仕事関数と前記第２の電極部の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含む中間部と、
を備え、
前記第１の電極部は、前記ｎ型半導体が縮退した縮退部を含む、
発電素子。

【請求項2】

前記支持部は、前記縮退部の一部が酸化したものである請求項１に記載の発電素子。

【請求項3】

前記第２の電極部は、第１の金属を含み、
前記第１の金属の仕事関数は、前記第１の電極部の仕事関数よりも大きい、
請求項１に記載の発電素子。

【請求項4】

前記第１のセルは、さらに第２の金属を有し、
前記第１の電極部は、前記縮退部と前記縮退部に接して、一対の前記支持部の間に設けられた前記第２の金属とを有し、
前記第２の金属の仕事関数は、前記第２の電極部の仕事関数よりも小さい、
請求項１に記載の発電素子。

【請求項5】

熱エネルギーを電気エネルギーに変換する発電素子を備えた発電装置であって、
前記発電素子は、
縮退していないｎ型半導体である非縮退部と、
前記ｎ型半導体の第１の面に設けられた第１の電極部と、
前記第１の電極部を支持する支持部と、
を有する第１のセルと、
前記第１の面と第１の方向において対向し、前記第１の電極部と離間し、前記第１の電極部とは異なる仕事関数を有する第２の電極部と、
前記第１の電極部と前記第２の電極部との間に設けられ、前記第１の電極部の仕事関数と前記第２の電極部の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含む中間部と、
を備え、
前記第１の電極部は、前記ｎ型半導体が縮退した縮退部を含む、
発電装置。

【請求項6】

熱エネルギーを電気エネルギーに変換する発電素子と、前記発電素子を電源に用いて駆動されることが可能な電子機器と、を含む電子機器であって、
前記発電素子は、
縮退していないｎ型半導体である非縮退部と、
前記ｎ型半導体の第１の面に設けられた第１の電極部と、
前記第１の電極部を支持する支持部と、
を有する第１のセルと、
前記第１の面と第１の方向において対向し、前記第１の電極部と離間し、前記第１の電極部とは異なる仕事関数を有する第２の電極部と、
前記第１の電極部と前記第２の電極部との間に設けられ、前記第１の電極部の仕事関数と前記第２の電極部の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含む中間部と、
を備え、
前記第１の電極部は、前記ｎ型半導体が縮退した縮退部を含む、
電子機器。

【請求項7】

熱エネルギーを電気エネルギーに変換する発電素子の製造方法であって、
ｎ型半導体を含む第１のセルの一部を縮退させた縮退部を形成し、
前記縮退部を含む第１の電極部を形成し、
前記第１の電極部を支持する支持部を形成し、
前記第１のセル及び第２の電極部を積層し、
前記第１の電極部の仕事関数と前記第２の電極部の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含む中間部を前記第１の電極部と前記第２の電極部との間に形成する、
発電素子の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、発電素子、発電装置、電子機器及び発電素子の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

例えば特許文献１には、仕事関数を有する電極間に発生する、絶対温度による電子放出現象を利用した熱電素子であって、エミッタ電極層と、コレクタ電極層と、エミッタ電極層及びコレクタ電極層の表面に分散して配置され、エミッタ電極層及びコレクタ電極層をサブミクロン感覚で罹患する電気絶縁性の球状ナノビーズとを備え、エミッタ電極層の仕事関数はコレクタ電極層の仕事関数よりも小さく、球状ナノビーズの粒子径は１００ｎｍ以下である熱電素子が開示されている。

【0003】

特許文献１に開示されるような電極間の仕事関数差を利用する熱電素子は、例えばゼーベック効果のような電極間の温度差を利用した熱電素子と比較し、電極間の温度差が小さい場合であっても発電が可能である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】特開２０１８－０１９０４２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１に記載されたような従来の熱電素子（以下、これを発電素子と呼んでもよい）においては、集積回路を駆動するような電力を出力するためには発電素子同士を直列に接続するような複雑な配線を行わなければ集積回路を駆動するための十分な電圧が担保できない。

【0006】

本発明の実施の形態の一態様は、従来と比較して容易に集積回路を駆動するための十分な電圧が担保できる発電素子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】

【0007】

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、ｎ型半導体と、ｎ型半導体の第１の面に設けられた第１の電極部と、第１の電極部を支持する支持部と、を有する第１のセルと、第１の面と第１の方向において対向し、第１の電極部と離間し、第１の電極部とは異なる仕事関数を有する第２の電極部と、第１の電極部と第２の電極部との間に設けられ、第１の電極部の仕事関数と第２の電極部の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含む中間部と、を備え、第１の電極部は、ｎ型半導体が縮退した縮退部を含む、発電素子を提供する。

【0008】

熱エネルギーを電気エネルギーに変換する発電素子を備えた発電装置であって、発電素子は、ｎ型半導体と、ｎ型半導体の第１の面に設けられた第１の電極部と、第１の電極部を支持する支持部と、を有する第１のセルと、第１の面と第１の方向において対向し、第１の電極部と離間し、第１の電極部とは異なる仕事関数を有する第２の電極部と、第１の電極部と第２の電極部との間に設けられ、第１の電極部の仕事関数と第２の電極部の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含む中間部と、を備え、第１の電極部は、ｎ型半導体が縮退した縮退部を含む、発電装置を提供する。

【0009】

熱エネルギーを電気エネルギーに変換する発電素子と、発電素子を電源に用いて駆動されることが可能な電子機器と、を含む電子機器であって、発電素子は、ｎ型半導体と、ｎ型半導体の第１の面に設けられた第１の電極部と、第１の電極部を支持する支持部と、を有する第１のセルと、第１の面と第１の方向において対向し、第１の電極部と離間し、第１の電極部とは異なる仕事関数を有する第２の電極部と、第１の電極部と第２の電極部との間に設けられ、第１の電極部の仕事関数と第２の電極部の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含む中間部と、を備え、第１の電極部は、ｎ型半導体が縮退した縮退部を含む、電子機器を提供する。

【0010】

熱エネルギーを電気エネルギーに変換する発電素子の製造方法であって、ｎ型半導体を含む第１のセルの一部を縮退させた縮退部を形成し、縮退部を含む第１の電極部を形成し、第１の電極部を支持する支持部を形成し、第１のセル及び第２の電極部を積層し、第１の電極部の仕事関数と第２の電極部の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含む中間部を第１の電極部と第２の電極部との間に形成する、発電素子の製造方法を提供する。

【発明の効果】

【0011】

本発明の実施の形態の一態様によれば従来と比較して容易に集積回路を駆動するための十分な電圧が担保できる発電素子を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】図１は、本実施の形態による発電素子を示す模式斜視図である。

【図2】図２は、図１におけるＡ－Ａ’断面を示す模式断面図である。

【図3】図３は、図２における領域Ｃの概念図である。

【図4】図４は、図２におけるＢ－Ｂ’断面を示す模式断面図である。

【図5】図５は、本実施の形態による第１のセル及び第２の電極部を積層する場合を示す模式断面図である。

【図6】図６は、本実施の形態による発電素子の製造方法の概要を示すフローチャートである。

【図7】図７は、本実施の形態による発電素子の製造方法を示すフローチャートである。

【図8】図８は、他の実施の形態による図２における領域Ｃの概念図である。

【図9】図９（ａ）～図９（ｄ）は、発電素子を備えた電子機器の例を示す模式ブロック図であり、図９（ｅ）～図９（ｈ）は、発電素子を含む発電機能付き半導体集積回路装置を備えた電子機器の例を示す模式ブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下図面を用いて、本発明の実施の形態の一態様を詳述する。

【0014】

（本実施の形態）
図１は、本実施の形態による発電素子１を示す模式斜視図である。図１に示すように、熱エネルギーを電気エネルギーに変換し電流を生成する素子である発電素子１は、発電装置１００に備えられ、発電装置１００は、発電素子１の他に、端子１０１，１０２と、配線１０３，１０４と、を備える。なお電流は、発電素子１が備える後述の第１の電極部２３と第２の電極部２４との間を流れる。

【0015】

発電素子１を備える発電装置１００は、例えば図示せぬ熱源に搭載又は設置され、熱源の熱エネルギーを元にして、発電素子１が発生させた電気エネルギーを、端子１０１，１０２及び配線１０３，１０４を介して負荷Ｒに出力する。

【0016】

負荷Ｒの一端は端子１０１を介して配線１０３と電気的に接続され、負荷Ｒの他端は端子１０２を介して配線１０４と電気的に接続される。負荷Ｒは、例えば電気的な機器であって、例えば発電素子１を主電源又は補助電源に用いて駆動させることができる。

【0017】

発電素子１の熱源としては、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）などの電子デバイス、電子部品、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）などの発光素子、自動車などのエンジン、工場などにおける生産設備、人体、太陽光及び環境温度などを利用することができる。なお電子デバイス、電子部品、発光素子、エンジン及び生産設備などは人工熱源であって、人体、太陽光及び環境温度などは自然熱源である。

【0018】

発電素子１を備える発電装置１００は、例えばＩｏＴ（Internet of Things）デバイス、ウェアラブル機器及び自立型センサ端末などの電子機器の内部に設けられることができるため、電子機器の電池の代替又は補助としての動作ができる。また発電装置１００は、ＩｏＴデバイスなどと比較して大規模な電力を扱うような例えば太陽光発電などに利用されてもよい。

【0019】

なお発電素子１単体は、発電素子１が発電する原理である発電原理によって、温度センサとして利用されることもできる。また発電素子１単体は、電子機器の内部に設けられてもよく、この場合、発電素子１単体が電子機器の電池の代替又は補助として動作する。

【0020】

発電素子１は、絶縁体である封止部材３によって側面部が覆われており、例えば上部に第１の金属２を備えており、中間にギャップ部２０を備えており、例えば下部に半導体などを縮退させることで形成される縮退部４を備えている。端子１０１は、第１の金属２に接続され、端子１０２は、縮退部４に接続される。

【0021】

縮退は例えばｎ型のドーパントを高濃度に半導体にイオン注入することや、ｎ型のドーパントを含むガラスなどの材料を半導体にコーティングし、コーティング後に熱処理を行うことによって生じる。

【0022】

ここで図２及び図３を参照し発電素子１の内部の構造について説明する。図２は、図１におけるＡ－Ａ’断面を示す模式断面図である。図３は、図１におけるＢ－Ｂ’断面を示す模式断面図である。図２及び図３に示すように発電素子１は、第１のセル１０と、第２の電極部２４と、ナノ粒子を含む中間部８と、を備える。

【0023】

第１のセル１０は、縮退していないｎ型半導体である非縮退部５と、ｎ型半導体の第１の面２１に設けられた第１の電極部２３と、第１の電極部２３を支持する支持部７と、を有する。第１の電極部２３は、ｎ型半導体が縮退した縮退部４を含む。縮退部４は、支持部７と接する。なお第１のセル１０は、縮退部４とは非縮退部５を挟んだ側に形成される縮退部６を含んでもよい。ここでｎ型半導体とは例えばシリコンに不純物としてリンなどの５価元素を添加したｎ型シリコンとする。

【0024】

第２の電極部２４は、第１の面２１と第１の方向Ｚにおいて対向し、第１の電極部２３と離間し、第１の電極部２３とは異なる仕事関数を有する。また第２の電極部２４は、ｎ型半導体が縮退した縮退部４，６と、縮退していないｎ型半導体である非縮退部５と、を有する第２のセル１１に含まれていてもよい。

【0025】

中間部８は、第１の電極部２３と第２の電極部２４との間に設けられ、中間部８に含まれる後述のナノ粒子１５は、第１の電極部２３の仕事関数と第２の電極部２４の仕事関数との間の仕事関数を有する。

【0026】

ギャップ部２０は、第１の電極部２３、第２の電極部２４及び支持部７で囲まれた部分を示し、外部から隔離された空間である。ギャップ部２０は、第１の電極部２３と、第２の電極部２４と、中間部８と、を有する。発電素子１の内部側とは、ギャップ部２０を含む部分を指し、発電素子１の外部側とは、ギャップ部２０から離間した部分を指す。

【0027】

以上のように本実施の形態における発電素子１は、縮退部４を含む第１の電極部２３と第２の電極部２４とが支持部７によって離間されている。また第１のセル１０及び第２のセル１１が有するｎ型半導体である非縮退部５となっており電気を通す。このため発電素子１内においては配線が不要となり、従来と比較して容易に集積回路を駆動するための十分な電圧が担保できる発電素子を実現できる。

【0028】

なお支持部７は、例えばｎ型半導体を縮退させた部分の一部をドライ酸化させることで形成される。ドライ酸化によれば、１０００℃で５０ｎｍの厚さのシリコン酸化膜を形成するために１時間程度の時間がかかり、ドライ酸化は反応律速のプロセスであるため、例えば５０ｎｍの標準膜厚に対して誤差１ｎｍ程度の精度で支持部７を形成することが可能となる。このためドライ酸化の手法を用いることで、ギャップ部２０を高精度で形成することが可能となる。

【0029】

なお例えばドーパントにリンなどを使用すると偏析によりリンなどがｎ型半導体側に移動するため、縮退の度合いを強めることが可能となる。また例えばシリコン酸化膜をパターニングするためにドライエッチやウエットエッチやベーパエッチなどを使用する。

【0030】

このためシリコンを酸化させることで支持部７を形成する場合には、電極間ギャップのばらつきを抑制することができ、電気エネルギーの発生量の安定化を実現することが容易となる。

【0031】

また例えば第２の電極部２４は、第１の金属２を含んでいてもよく、第１の金属２の仕事関数は、第１の電極部２３の仕事関数と異なるものとする。第２の電極部２４が第１の金属２を含むことで、ｎ型半導体を縮退して形成された第１の電極部２３との間の仕事関数の調整がしやすくなる。

【0032】

また第１のセル１０は、さらに第２の金属１８を有してもよい。この場合、第１の電極部２３は、縮退部４と、縮退部４に接して、一対の支持部７の間に設けられた第２の金属１８と、を有し、第２の金属１８の仕事関数は、第２の電極部２４の仕事関数と異なる。

【0033】

第１の電極部２３が第２の金属１８を有することで第２の電極部２４との間の仕事関数の調整がしやすくなる。また第１の電極部２３が第２の金属１８を有することで第１の電極部２３と第２の電極部２４との間の第１の方向Ｚにおける距離（以下、これを電極間ギャップと呼んでもよい）の調整がしやすくなる。

【0034】

第１の方向Ｚにおける第１のセル１０及び第２のセル１１の厚さは例えば１０μｍ以上１ｍｍ以下とする。第２の方向Ｘ又は第３の方向Ｙにおける第１のセル１０及び第２のセル１１の幅は例えば１ｍｍ～５００ｍｍ程度とし、用途に応じて任意に設定することができる。

【0035】

第１の電極部２３は、例えば電子親和力が４．０５ｅＶであるｎ型シリコンを縮退させた縮退部４を含む。ｎ型シリコンの仕事関数は電子親和力に加えてドーピングン濃度に依存する。第２の電極部２４は、例えば仕事関数の値が約５．６５ｅＶである白金のような第１の金属２を含む。

【0036】

発電素子１においては、仕事関数差を有する第１の電極部２３と第２の電極部２４との間に発生する、絶対温度による電子放出現象が利用される。このため、発電素子１は、第１の電極部２３と第２の電極部２４との間の温度差が小さい場合であっても熱エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。

【0037】

なお発電素子１は、第１の電極部２３と第２の電極部２４との間に温度差がない場合においても熱エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。また発電素子１は、第１の電極部２３と第２の電極部２４とにおいて、同一の熱源を用いる場合においても、熱エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。

【0038】

第１の電極部２３及び第２の電極部２４の厚さは、第１の方向Ｚにおいて例えば１０ｎｍ以上１０μｍ以下であり、例えば１０ｎｍ以上１μｍ以下が好ましい。また第１の電極部２３及び第２の電極部２４の幅は、第２の方向Ｘ又は第３の方向Ｙにおいて例えば１００μｍ～５００ｍｍ程度とし、用途に応じて任意に設定することができる。

【0039】

電極間ギャップは、例えば１μｍ以下の有限値である。電極間ギャップはより好ましくは１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。電極間ギャップを１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下とすることで、発電素子１における電気エネルギーの発生量を増加させることができる。なお例えば電極間ギャップを１０ｎｍ未満とした場合、ナノ粒子１５が均等に分散された状態を維持できなくなる可能性が挙げられる。

【0040】

ここで図３を参照して中間部８の詳細について説明する。図３は、図２における領域Ｃの概念図である。中間部８は、例えば、第１の電極部２３又は第２の電極部２４から放出された電子ｅを、第２の電極部２４又は第１の電極部２３へと移動させる部分である。複数のナノ粒子１５は、溶媒１７内に分散される。中間部８は、例えば、ナノ粒子１５が分散された溶媒１７を、ギャップ部２０内に充填することで得られる。

【0041】

ナノ粒子１５は例えば導電物を含み、ナノ粒子１５の仕事関数の値は例えば第１の電極部２３の仕事関数の値と、第２の電極部２４の仕事関数の値との間にある。例えば複数のナノ粒子１５は、３．０ｅＶ以上５．５ｅＶ以下の範囲内の仕事関数の値となる粒子を含む。

【0042】

これにより、第１の電極部２３と第２の電極部２４との間に放出された電子ｅを、ナノ粒子１５を介して、例えば、第１の電極部２３から第２の電極部２４へと移動させることができる。これにより、中間部８内にナノ粒子１５がない場合と比較して、電気エネルギーの発生量を増加させることが可能となる。

【0043】

ナノ粒子１５の材料としては、例えば金及び銀の少なくとも１つを選ぶことができる。なお中間部８は、第１の電極部２３の仕事関数と、第２の電極部２４の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子１５を少なくとも一部含んでいればよい。したがって、ナノ粒子１５の材料には、金及び銀以外の導電性材料を選ぶことも可能である。

【0044】

ナノ粒子１５の粒子径は、例えば２ｎｍ以上１０ｎｍ以下とする。またナノ粒子１５は、例えば、メジアン径のような平均粒径が３ｎｍ以上８ｎｍ以下の粒子径を有してもよい。平均粒径は、例えばレーザー回折散乱法を用いたMicrotracBEL製Nanotrac WaveII-EX150などの粒度分布計測器粒度分布計測器を用いることで測定することができる。

【0045】

ナノ粒子１５は、その表面に、例えば絶縁膜１６を有する。絶縁膜１６の材料の例としては、絶縁性金属化合物及び絶縁性有機化合物の少なくとも１つを選ぶことができる。絶縁性金属化合物としては、例えばシリコン酸化物及びアルミナなどを挙げることができる。絶縁性有機化合物としては、例えばアルカンチオール（例えばドデカンチオール）などを挙げることができる。

【0046】

絶縁膜１６の厚さは、例えば２０ｎｍ以下の有限値である。このような絶縁膜１６をナノ粒子１５の表面に設けておくと、電子ｅは、例えば第１の電極部２３とナノ粒子１５との間、及びナノ粒子１５と第２の電極部２４との間を、トンネル効果を利用して移動しやすくできる。

【0047】

絶縁膜１６が設けられた場合、例えば発電素子１の発電効率の向上が期待できる。このとき、例えば矢印に示すように、ナノ粒子１５の移動を利用して、電子ｅの移動が促されてもよい。

【0048】

溶媒１７は、例えば沸点が６０℃以上の液体とする。これにより、温度が室温以上となるような環境下において、発電素子１を用いた場合であっても、溶媒１７の気化を抑制することができる。なお室温とは例えば１５℃～３５℃とする。

【0049】

このように溶媒１７を沸点が６０℃以上の液体とすると、溶媒１７の気化に伴う発電素子１の劣化を抑制することができる。液体の例としては、有機溶媒及び水の少なくとも１つを選ぶことができる。有機溶媒の例としては、メタノール、エタノール、トルエン、キシレン、テトラデカン、及びアルカンチオールなどを挙げることができる。溶媒１７は、電気的抵抗値が高く、絶縁性である液体がよい。

【0050】

ここで発電素子１の動作について説明を行う。熱エネルギーが発電素子１に与えられると、第１の電極部２３又は第２の電極部２４から中間部８へと電子ｅが放出される。放出された電子ｅは、中間部８から第２の電極部２４又は第１の電極部２３へと移動する。この場合電流が、第１の電極部２３及び第２の電極部２４の間に流れる。このようにして、熱エネルギーが電気エネルギーに変換される。

【0051】

放出される電子ｅの量は、熱エネルギーに依存するほか、第１の電極部２３の仕事関数と第２の電極部２４の仕事関数との差に依存する。なお放出される電子ｅの量は、仕事関数が小さい材料ほど増加する傾向がある。

【0052】

移動する電子ｅの量は、例えば第１の電極部２３と第２の電極部２４との仕事関数の差を大きくすること、又は、電極間ギャップを小さくすることで増やすことができる。このため、発電素子１が発生させる電気エネルギーの量は、第１の電極部２３と第２の電極部２４との仕事関数の差を大きくすること、又は、電極間ギャップを小さくすることの少なくとも一方を行うことで増やすことができる。

【0053】

次に図５を用いて、第１のセル１０及び第２の電極部２４を積層する場合について説明を行う。図５は、本実施の形態による第１のセル１０及び第２の電極部２４を積層する場合を示す模式断面図である。

【0054】

図５に示すように発電素子２５は、第１のセル１０及び第２の電極部２４を有する第１の層２６と第１のセル１０及び第２の電極部２４を有する第２の層２７とを備える。第１の層２６と第２の層２７とは第１の方向Ｚにおいて積層され、第１の層２６の第２の電極部２４は、第２の層２７のｎ型半導体の第１の面２１とは逆側の面に含まれる縮退部６と接する。

【0055】

第１のセル１０及び第２の電極部２４を積層すると、余計な配線をせずに第１のセル１０及び第２の電極部２４を直列に接続することができるため、発電素子１の出力電圧を高くすることが容易となる。縮退部６と第２の電極部２４との間にはショットキー障壁が生じず、縮退部６は、電気を通すために発電素子１への配線は不要となる。

【0056】

また第１の電極部２３として機能する縮退部４へのイオンのドープ量を調整することで、ＰＮ接合を用いずとも、第１の電極部２３と第２の電極部２４との間における電流を制御することができる。

【0057】

次に発電素子１，２５の製造方法の概要について図６を用いて説明を行う。図６は、本実施の形態による発電素子１，２５の製造方法の概要を示すフローチャートである。例えば発電素子１を製造する図示せぬ製造装置は、ｎ型半導体を含む第１のセル１０の一部を縮退させた縮退部４を形成する（Ｓ１）。

【0058】

次に製造装置は、縮退部４を含む第１の電極部２３を形成し（Ｓ２）、第１の電極部２３を支持する支持部７を形成し（Ｓ３）、第１のセル１０及び第２の電極部２４を積層する（Ｓ４）。

【0059】

次に製造装置は、第１の電極部２３の仕事関数と前記第２の電極部２４の仕事関数との間の仕事関数を有するナノ粒子を含む中間部８を第１の電極部２３と第２の電極部２４との間に形成する（Ｓ５）。

【0060】

次に発電素子１，２５の製造方法の詳細な一例について図７を用いて説明を行う。図７は、本実施の形態による発電素子１，２５の製造方法を示すフローチャートである。まず例えば製造装置は、第１のセル１０を形成する。

【0061】

具体的には製造装置は、非縮退部３０を含む基板１２の第１の面２１及び第１の面の反対側の面に対してイオンを注入するなどして縮退し（Ｓ１１）、縮退部３１，６を形成する。この際に縮退しない部分が非縮退部５として残る。なお後述のダイシングラインは縮退させない。

【0062】

次に製造装置は、第１の面２１に形成した縮退部３１を酸化させ（Ｓ１２）、酸化部３２を形成する。基板１２がシリコンの場合、酸化部３２はシリコン酸化膜となる。なお製造装置は、縮退部３１を酸化させる際にアニール処理を行う。次に製造装置は、第１の面２１側の所定の領域にレジスト３３を塗布する（Ｓ１３）。

【0063】

次に製造装置は、ドライエッチングによってレジスト３３が塗布されていない酸化部３２を削り支持部７を形成する（Ｓ１４）。なおドライエッチングの際に、ダイシングを行うためのダイシングラインを、縮退部４に凹部を形成することで形成してもよい。次に製造装置は、レジスト３３を除去する（Ｓ１５）。

【0064】

次に製造装置は、第１の面２１とは反対側の面に第１の金属２を積層し、ダイシングすることで第１のセル１０を形成する（Ｓ１６）。第１の金属２は、例えば化学蒸着法や原子層堆積法などによって積層される。

【0065】

次に製造装置は、製造する発電素子１の設計上の出力電力を参照し、第１のセル１０をまだ形成する必要がないか否かを判断する（Ｓ１７）。製造装置が第１のセル１０を形成する必要があると判断し、ステップＳ７での判断で否定結果を得ると（Ｓ１７：ＮＯ）、製造装置は、ステップＳ１～ステップＳ７を再度実行する。

【0066】

製造装置が第１のセルを作成する必要がないと判断し、ステップＳ７での判断で肯定結果を得ると（Ｓ１７：ＹＥＳ）、製造装置は第２のセル１１の形成を開始する。まず製造装置は、非縮退部３０を含む基板１２の第１の面２１及び第１の面の反対側の面に対してイオンを注入するなどしてｎ型に縮退し（Ｓ１８）、縮退部４，６を形成する。この際に縮退しない部分が非縮退部５として残る。

【0067】

次に製造装置は、第１の面２１とは反対側の面に第１の金属２を積層し、ダイシングすることで第２のセル１１を形成する（Ｓ１９）。第１の金属２は、例えば化学蒸着法や原子層堆積法などによって積層される。

【0068】

次に製造装置は、第１のセル１０及び第２のセル１１を例えばプラズマ接合によって積層し、中間部８を例えば毛細管現象を利用して形成する（Ｓ２０）。第１のセル１０が複数ある場合には、発電素子２５が製造され、第１のセル１０が１つの場合には発電素子１が作成される。

【0069】

なお第１のセルの形成において、第１の金属２を積層するタイミングは、ドライエッチングの前でもよいものとする。また第２のセルの作において第１の金属２を縮退部４側にも積層してもよいものとする。

【0070】

ステップＳ１１，Ｓ１５は、ステップＳ１，Ｓ２の具体例であって、ステップＳ１２～Ｓ１４はステップＳ３の具体例である。Ｓ１８，Ｓ１９は第２の電極部２４を作成する工程であって、ステップＳ１８～Ｓ２０はステップＳ４，Ｓ５の具体例である。

【0071】

（他の実施の形態）
上述の実施の形態においては、第１の電極部２３は、ｎ型シリコンを縮退させた縮退部４を含み、第２の電極部２４は、白金のような第１の金属２を含むとしたが本発明はこれに限らない。

【0072】

第１の電極部２３と第２の電極部２４との間に仕事関数差が生じればよいため、第１の電極部２３の材料及び第２の電極部２４の材料は、例えば白金、タングステン、アルミニウム、チタン、ニオブ、モリブデン、タンタル及びレニウムなどの金属でもよい。

【0073】

第１の電極部２３の材料及び第２の電極部２４の材料は、金属の他にも、合金、金属間化合物及び金属元素と非金属元素とが化合したものである例えば六ホウ化ランタンなどの金属化合物でもよい。

【0074】

また第１の電極部２３の材料及び第２の電極部２４の材料は、ｎ型シリコンやｐ型シリコンや例えばグラフェンのようなカーボン系材料のような非金属導電物であってもよい。また第１の電極部２３の材料及び第２の電極部２４の構造は、単層構造ではなく積層構造でもよい。

【0075】

また上述の実施の形態においては、ギャップ部２０内に溶媒１７を充填する場合について述べたが本発明はこれに限らず、図８に示すようにギャップ部２０内は空隙部４０となっていてもよい。図８は、他の実施の形態による図２における領域Ｃの概念図である。

【0076】

中間部８が、溶媒１７を含まずナノ粒子１５のみを含む場合、発電素子１を高温の環境下で用いる際においても溶媒１７の気化を考慮する必要がなくなる。これにより、高温の環境下における発電素子１の劣化を抑制することが可能となる。

【0077】

また上述した発電素子１及び発電装置１００は、例えば電子機器に搭載することが可能である。以下、電子機器の実施の形態のいくつかを説明する。

【0078】

図９（ａ）～図９（ｄ）は、発電素子１を備えた電子機器５００の例を示す模式ブロック図である。図９（ｅ）～図９（ｈ）は、発電素子１を含む発電装置１００を備えた電子機器５００の例を示す模式ブロック図である。

【0079】

図９（ａ）に示すように、電子機器５００（エレクトリックプロダクト）は、電子部品５０１（エレクトロニックコンポーネント）と、主電源５０２と、補助電源５０３と、を備えている。電子機器５００及び電子部品５０１のそれぞれは、電気的な機器(エレクトリカルデバイス)である。

【0080】

電子部品５０１は、主電源５０２を電源に用いて駆動される。電子部品５０１の例としては、例えばＣＰＵ、モータ、センサ端末及び照明などを挙げることができる。電子部品５０１が、例えばＣＰＵである場合、電子機器５００には、内蔵されたマスタ（ＣＰＵ）によって制御可能な電子機器が含まれる。

【0081】

電子部品５０１が、例えばモータ、センサ端末及び照明等の少なくとも１つを含む場合、電子機器５００には、外部にあるマスタ又は人によって制御可能な電子機器が含まれる。

【0082】

主電源５０２は、例えば電池である。電池には充電可能な電池も含まれる。主電源５０２のプラス端子（＋）は、電子部品５０１のＶｃｃ端子（Ｖｃｃ）と電気的に接続される。主電源５０２のマイナス端子（－）は、電子部品５０１のＧＮＤ端子（ＧＮＤ）と電気的に接続される。

【0083】

補助電源５０３は、発電素子１である。発電素子１は、上述した発電素子１の少なくとも１つを含む。発電素子１の一端は、電子部品５０１のＧＮＤ端子（ＧＮＤ）、又は主電源５０２のマイナス端子（－）、又はＧＮＤ端子（ＧＮＤ）とマイナス端子（－）とを接続する配線と、電気的に接続される。

【0084】

発電素子１の他端は、電子部品５０１のＶｃｃ端子（Ｖｃｃ）、又は主電源５０２のプラス端子（＋）、又はＶｃｃ端子（Ｖｃｃ）とプラス端子（＋）とを接続する配線と、電気的に接続される。

【0085】

電子機器５００において、補助電源５０３は、例えば主電源５０２と併用され、主電源５０２をアシストするための電源や、主電源５０２の容量が切れた場合、主電源５０２をバックアップするための電源として使うことができる。主電源５０２が充電可能な電池である場合には、補助電源５０３は、さらに、電池を充電するための電源としても使うことができる。

【0086】

図９（ｂ）に示すように、主電源５０２は、発電素子１とされてもよい。発電素子１の一端は、電子部品５０１のＧＮＤ端子（ＧＮＤ）と電気的に接続される。発電素子１の他端は、電子部品５０１のＶｃｃ端子（Ｖｃｃ）と電気的に接続される。

【0087】

図９（ｂ）に示す電子機器５００は、主電源５０２として使用される発電素子１と、発電素子１を用いて駆動されることが可能な電子部品５０１と、を備えている。発電素子１は、例えばオフグリッド電源のような独立した電源である。

【0088】

このため、電子機器５００は、例えば自立型（以下、これをスタンドアローン型と呼んでもよい）にできる。しかも、発電素子１は、環境発電型（以下、これをエナジーハーベスト型と呼んでもよい）である。図９（ｂ）に示す電子機器５００は、電池の交換が不要である。

【0089】

図９（ｃ）に示すように、電子部品５０１が発電素子１を備えていてもよい。発電素子１の一端は、例えば、図示せぬ回路基板のＧＮＤ配線と電気的に接続される。発電素子１の他端は、例えば回路基板のＶｃｃ配線と電気的に接続される。この場合、発電素子１は、電子部品５０１の、例えば補助電源５０３として使うことができる。

【0090】

図９（ｄ）に示すように、電子部品５０１が発電素子１を備えている場合、発電素子１は、電子部品５０１の、例えば主電源５０２として使うことができる。図９（ｅ）～図９（ｈ）のそれぞれに示すように、電子機器５００は、発電装置１００を備えていてもよい。発電装置１００は、電気エネルギーの源として発電素子１を含む。

【0091】

図９（ｄ）に示した実施の形態は、電子部品５０１が主電源５０２として使用される発電素子１を備えている。同様に、図９（ｈ）に示した実施の形態は、電子部品５０１が主電源として使用される発電装置１００を備えている。

【0092】

これらの実施の形態では、電子部品５０１が、独立した電源を持つ。このため電子部品５０１を、例えば自立型とすることができる。自立型の電子部品５０１は、例えば複数の電子部品を含み、かつ、少なくとも１つの電子部品が別の電子部品と離れているような電子機器に有効に用いることができる。

【0093】

このような電子機器５００として例えばセンサが挙げられる。センサは、センサ端末（スレーブ）と、センサ端末から離れたコントローラ（マスタ）と、を備えている。センサ端末及びコントローラのそれぞれは、電子部品５０１である。

【0094】

センサ端末が、発電素子１又は発電装置１００を備えていれば、自立型のセンサ端末となり、有線での電力供給の必要がない。発電素子１又は発電装置１００は環境発電型であるので、電池の交換も不要である。

【0095】

センサ端末は、電子機器５００の１つと見なすこともできる。電子機器５００と見なされるセンサ端末には、センサのセンサ端末に加えて、例えばＩｏＴワイヤレスタグなどがさらに含まれる。

【0096】

図９（ａ）～図９（ｈ）のそれぞれに示した実施の形態において共通することは、電子機器５００は、熱エネルギーを電気エネルギーに変換する発電素子１と、発電素子１を電源に用いて駆動されることが可能な電子部品５０１と、を含むことである。

【0097】

電子機器５００は、独立した電源を備えた自律型（以下、これをオートノマス型と呼んでもよい）であってもよい。自律型の電子機器の例は、例えばロボットなどを挙げることができる。

【0098】

さらに発電素子１又は発電装置１００を備えた電子部品５０１は、独立した電源を備えた自律型であってもよい。自律型の電子部品として、例えば可動センサ端末などを挙げることができる。

【0099】

以上本発明の実施の形態のいくつかを説明したが、これらの実施の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。例えばこれらの実施の形態は、適宜組み合わせて実施することが可能である。

【0100】

また本発明は、上記いくつかの実施の形態の他、様々な新規な形態で実施することができる。したがって、上記いくつかの実施の形態のそれぞれは、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更が可能である。

【0101】

このような新規な形態や変形は、この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、及び特許請求の範囲に記載された発明の均等物の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0102】

１，２５……発電素子、２……第１の金属、３……封止部材、４，６……縮退部、５……非縮退部、７……支持部、８……中間部、１０……第１のセル、１１……第２のセル、１２……基板、１５…ナノ粒子、１６……絶縁膜、１８……第２の金属、２０……ギャップ部、２１……第１の面、２３……第１の電極部、２４……第２の電極部。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】