特許 7428573 発電素子、発電モジュール、発電装置、及び、発電システム

(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】2024-01-29

(45)【発行日】2024-02-06

(54)【発明の名称】発電素子、発電モジュール、発電装置、及び、発電システム

(51)【国際特許分類】

   H10N 15/00 20230101AFI20240130BHJP

   H02N 11/00 20060101ALI20240130BHJP

【ＦＩ】

H10N15/00

H02N11/00 A

【請求項の数】 22

(21)【出願番号】P 2020068610

(22)【出願日】2020-04-06

(65)【公開番号】P2021166231

(43)【公開日】2021-10-14

【審査請求日】2022-09-12

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(74)【代理人】

【識別番号】110004026

【氏名又は名称】弁理士法人ｉＸ

(72)【発明者】

【氏名】吉田 学史

(72)【発明者】

【氏名】木村 重哉

【審査官】宮本 博司

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２０－０１３８８６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１３－０８４７８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１９５７９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２００９－５３５８４０（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】

Ａｌ_ｘ１Ｇａ_１－ｘ１Ｎ（０＜ｘ１≦１）を含む第１結晶領域と、
Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｅ及びＳｎよりなる群から選択された少なくとも１つを含む第１元素を含み、Ａｌ_ｘ２Ｇａ_１－ｘ２Ｎ（０≦ｘ２＜ｘ１）を含む第２結晶領域と、
を備え、
前記第１結晶領域は、第１面及び第２面を含み、前記第２面は、前記第２結晶領域と前記第１面との間にあり、
前記第２結晶領域は、第３面及び第４面を含み、前記第３面は、前記第４面と前記第１結晶領域との間にあり、
前記第４面から前記第３面への向きは、前記第２結晶領域の＜０００１＞方向に沿い、
前記第２面から前記第１面への向きは、前記第１結晶領域の＜０００－１＞方向に沿い、
前記第１結晶領域の厚さは、４０ｎｍ以下であり、
前記第２結晶領域の厚さは、０．１μｍ以上１０μｍ以下である、発電素子。

【請求項2】

前記第３面は、前記第２結晶領域の（０００１）面であり、
前記第１面は、前記第１結晶領域の（０００－１）面である、請求項１記載の発電素子。

【請求項3】

対向導電領域をさらに備え、
前記第１結晶領域は、前記第２結晶領域と前記対向導電領域との間にあり、
前記第１結晶領域と前記対向導電領域との間に間隙が設けられた、請求項１または２に記載の発電素子。

【請求項4】

前記対向導電領域は、前記第１元素を含み、Ａｌ_ｚ１Ｇａ_１－ｚ１Ｎ（０≦ｚ１＜１、ｚ１＜ｘ１）を含む、請求項３記載の発電素子。

【請求項5】

前記対向導電領域は、第１対向面及び第２対向面を含み、
前記第１対向面は、前記第１結晶領域と前記第２対向面との間にあり、
前記第２対向面から前記第１対向面への向きは、前記対向導電領域の＜０００－１＞方向に沿う、請求項４記載の発電素子。

【請求項6】

前記第１対向面は、前記対向導電領域の（０００－１）面に沿う、請求項５に記載の発電素子。

【請求項7】

前記ｚ１は、０．７５未満である、請求項４～６のいずれか１つに記載の発電素子。

【請求項8】

第１電極と、
第２電極と、
をさらに備え、
前記第２結晶領域は、前記第１電極と前記第２電極との間にあり、
前記第１結晶領域は、前記第２結晶領域と前記第２電極との間にあり、
前記対向導電領域は、前記第１結晶領域と前記第２電極との間にあり、
前記第１電極は、前記第２結晶領域と電気的に接続され、
前記第２電極は、前記対向導電領域と電気的に接続された、請求項３～７のいずれか１つに記載の発電素子。

【請求項9】

前記第２結晶領域と前記第１結晶領域との間に設けられた第３結晶領域をさらに備え、
前記第３結晶領域は、Ａｌ_ｘ３Ｇａ_１－ｘ３Ｎ（ｘ２＜ｘ３≦１）を含み、
前記第３結晶領域は、第５面及び第６面を含み、前記第５面は、前記第６面と前記第１結晶領域との間にあり、
前記第６面から前記第５面への向きは、前記第３結晶領域の＜０００１＞方向に沿う、請求項１～８のいずれか１つに記載の発電素子。

【請求項10】

前記ｘ３は、０．７５以上である、請求項９記載の発電素子。

【請求項11】

前記第３結晶領域における前記第１元素の濃度は、２×１０^１８ｃｍ^－３以下である、請求項９または１０に記載の発電素子。

【請求項12】

前記第３結晶領域の厚さは、１０ｎｍ以下である、請求項９～１１のいずれか１つに記載の発電素子。

【請求項13】

前記ｘ１は、０．７５以上である、請求項１～１２のいずれか１つに記載の発電素子。

【請求項14】

前記ｘ２は、０．７５未満である、請求項１～１３のいずれか１つに記載の発電素子。

【請求項15】

前記第１結晶領域におけるキャリア濃度は、２×１０^１６ｃｍ^－３以下である、請求項１～１４のいずれか１つに記載の発電素子。

【請求項16】

前記第１結晶領域における前記第１元素の濃度は、２×１０^１８ｃｍ^－３以下である、請求項１～１５のいずれか１つに記載の発電素子。

【請求項17】

前記第１結晶領域は、分極を有する、請求項１～１６のいずれか１つに記載の発電素子。

【請求項18】

前記第２結晶領域と電気的に接続された第１端子と、
前記対向導電領域と電気的に接続された第２端子と、
をさらに備え、
前記第１端子と前記第２端子との間に負荷が電気的に接続可能である、請求項３～８のいずれか１つに記載の発電素子。

【請求項19】

前記第１端子の温度が前記第２端子の温度よりも高いときに、前記負荷に電流が流れる、請求項１８記載の発電素子。

【請求項20】

請求項１～１９のいずれか１つに記載の前記発電素子を複数備えた発電モジュール。

【請求項21】

請求項２０記載の前記発電モジュールを複数備えた発電装置。

【請求項22】

請求項２１記載の発電装置と、
駆動装置と、
を備え、
前記駆動装置は、前記発電装置を太陽の動きに追尾させる、発電システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、発電素子、発電モジュール、発電装置、及び、発電システムに関する。

【背景技術】

【0002】

例えば、熱源からの熱に応じて発電する発電素子がある。発電素子において、効率を安定して向上することが望まれる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１８－１９５７９０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

本発明の実施形態は、安定して効率を向上できる発電素子、発電モジュール、発電装置、及び、発電システムを提供する。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本発明の実施形態によれば、発電素子は、Ａｌ_ｘ１Ｇａ_１－ｘ１Ｎ（０＜ｘ１≦１）を含む第１結晶領域と、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｅ及びＳｎよりなる群から選択された少なくとも１つを含む第１元素を含み、Ａｌ_ｘ２Ｇａ_１－ｘ２Ｎ（０≦ｘ２＜ｘ１）を含む第２結晶領域と、を含む。前記第１結晶領域は、第１面及び第２面を含み、前記第２面は、前記第２結晶領域と前記第１面との間にある。前記第２結晶領域は、第３面及び第４面を含み、前記第３面は、前記第４面と前記第１結晶領域との間にある。前記第４面から前記第３面への向きは、前記第２結晶領域の＜０００１＞方向に沿う。前記第２面から前記第１面への向きは、前記第１結晶領域の＜０００－１＞方向に沿う。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】図１は、第１実施形態に係る発電素子を例示する模式的断面図である。

【図2】図２は、第１実施形態に係る発電素子を例示する模式的断面図である。

【図3】図３は、第１実施形態に係る発電素子を例示する模式的斜視図である。

【図4】図４（ａ）～図４（ｃ）は、発電素子の特性を例示するグラフ図である。

【図5】図５（ａ）～図５（ｃ）は、発電素子の特性を例示するグラフ図である。

【図6】図６（ａ）及び図６（ｂ）は、第１実施形態に係る発電素子を例示する模式的断面図である。

【図7】図７は、第１実施形態に係る発電素子を例示する模式的断面図である。

【図8】図８は、発電素子の特性を例示するグラフ図である。

【図9】図９は、第１実施形態に係る発電素子を例示する模式的断面図である。

【図10】図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、第２実施形態に係る発電モジュール及び発電装置を示す模式図的断面図である。

【図11】図１１（ａ）及び図１１（ｂ）は、実施形態に係る発電装置及び発電システムを示す模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0007】

以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚さと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

【0008】

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る発電素子を例示する模式的断面図である。
図１に示すように、実施形態に係る発電素子１０１は、第１結晶領域１１及び第２結晶領域１２を含む。

【0009】

第１結晶領域１１は、Ａｌ_ｘ１Ｇａ_１－ｘ１Ｎ（０＜ｘ１≦１）を含む。組成比ｘ１は、例えば、０．７５以上である。１つの例において、第１結晶領域１１は、ＡｌＮ層である。第１結晶領域１１は、分極を有する。

【0010】

第２結晶領域１２は、Ａｌ_ｘ２Ｇａ_１－ｘ２Ｎ（０≦ｘ２＜ｘ１）を含む。組成比ｘ２は、例えば、０．７５未満である。１つの例において、第２結晶領域１２は、ＧａＮ層である。第２結晶領域１２は、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｅ及びＳｎよりなる群から選択された少なくとも１つを含む第１元素を含む。第１元素は、ｎ形不純物である。第２結晶領域１２は、例えば、ｎ形のＧａＮ層である。

【0011】

この例では、発電素子１０１は、第１電極Ｅ１を含む。第１電極Ｅ１と第１結晶領域１１との間に第２結晶領域１２がある。第１電極Ｅ１と第２結晶領域１２は電気的に接続される。

【0012】

第１結晶領域１１は、第１面ｆ１及び第２面ｆ２を含む。第２面ｆ２は、第２結晶領域１２と第１面ｆ１との間にある。第２面ｆ２は、例えば、下面であり、第１面ｆ１は、上面である。

【0013】

第２結晶領域１２は、第３面ｆ３及び第４面ｆ４を含む。第３面ｆ３は、第４面ｆ４と第１結晶領域１１との間にある。第４面ｆ４、例えば、下面であり、第３面ｆ３は、上面である。

【0014】

第２結晶領域１２から第１結晶領域１１への方向をＺ軸方向とする。Ｚ軸方向は、積層方向に対応する。Ｚ軸方向に対して垂直な１つの方向をＸ軸方向とする。Ｚ軸方向及びＸ軸方向に対して垂直な方向をＹ軸方向とする。例えば、第１～第４面ｆ１～ｆ４は、Ｘ－Ｙ平面に沿う。

【0015】

第４面ｆ４から第３面ｆ３への向きＯｒ２は、第２結晶領域１２の＜０００１＞方向に沿う。＜０００１＞方向は、例えば、＋ｃ方向である。第２結晶領域１２は、III族面（例えばＧａ面）である。第２結晶領域１２は、例えば、III族極性（例えば、Ｇａ極性）である。

【0016】

第２面ｆ２から第１面ｆ１への向きＯｒ１は、第１結晶領域１１の＜０００－１＞方向に沿う。本願明細書における結晶方位の記載において、「－１」は、「－１」の後の数字のバーに対応する。＜０００－１＞方向は、例えば、－ｃ方向である。第１結晶領域１１の第１面ｆ１は、IV族面（例えばＮ面）である。第１結晶領域１１は、例えば、IV族極性（例えば、Ｎ極性）である。

【0017】

例えば、第３面ｆ３は、第２結晶領域１２の（０００１）面である。例えば、第１面ｆ１は、第１結晶領域１１の（０００－１）面である。

【0018】

このような第２結晶領域１２及び第１結晶領域１１は、例えば、炭素や酸素を不純物として吸着させた表面層を形成し、その後、結晶成長することで得られる。このような第２結晶領域１２及び第１結晶領域１１は、例えば、非平衡な結晶成長法である分子線エピタキシーによって極性を制御することで得られる。

【0019】

例えば、第１面ｆ１は、Ａｌ組成比が高い窒化物半導体のＮ面である。このような第１面ｆ１から電子が放出し易い。例えば、第１電極Ｅ１から第２結晶領域１２に電子が供給され、その電子が、第１結晶領域１１の第１面ｆ１から効率的に放出される。

【0020】

後述するように、Ａｌ組成比が低い窒化物半導体（例えばＧａＮ）の表面からの電子の放出の効率は低い。Ａｌ組成比が高い窒化物半導体（例えばＡｌＮ）の表面からの電子の放出の効率は高い。

【0021】

例えば、Ａｌ組成比が高い窒化物半導体（例えばＡｌＮ）において、放出される電子を第１電極Ｅ１から供給するためには、Ａｌ組成比が高い窒化物半導体における導電性が高いことが好ましい。しかしながら、Ａｌ組成比が高い窒化物半導体におけるキャリア濃度を高めることは、実用的に困難である。例えば、Ａｌ組成比が０．７５以上である窒化物半導体においては、高い導電性を得ることは困難である。

【0022】

実施形態においては、Ａｌ組成比が低いｎ形の窒化物半導体の第２結晶領域１２が設けられる。第２結晶領域１２を介して、電子が第１結晶領域１１に供給され、第１結晶領域１１の第１面ｆ１から電子が効率良く放出される。高効率の発電が可能になる。

【0023】

例えば、第１結晶領域１１の厚さｔ１（図１参照）は、第２結晶領域１２の厚さｔ２（図１参照）よりも薄い。電子は、第２面ｆ２から第１面ｆ１へ効率的に移動できる。

【0024】

第１結晶領域１１の厚さｔ１は、４０ｎｍ以下である。これにより、第１結晶領域１１のなかを電子が効率よく移動できる。第２結晶領域１２の厚さｔ２は、例えば、０．１μｍ以上１０μｍ以下である。厚さｔ１及び厚さｔ２は、Ｚ軸方向に沿う長さである。

【0025】

例えば、第１結晶領域１１は、真性半導体のＡｌＮ（ｉ－ＡｌＮ）でも良い。例えば、第１結晶領域１１におけるキャリア濃度は、２×１０^１６ｃｍ^－３以下である。例えば、第１結晶領域１１における第１元素の濃度は、２×１０^１８ｃｍ^－３以下である。このような第１結晶領域１１は、生産性良く製造できる。

【0026】

図２は、第１実施形態に係る発電素子を例示する模式的断面図である。
図２に示すように、実施形態に係る発電素子１１０は、第１結晶領域１１及び第２結晶領域１２に加えて、対向導電領域２１をさらに含む。この例では、発電素子１１０は、第２電極Ｅ２を含む。

【0027】

第１結晶領域１１は、第２結晶領域１２と対向導電領域２１との間にある。第１結晶領域１１と対向導電領域２１との間に間隙４０が設けられる。電子が、第１面ｆ１から対向導電領域２１に向けて効率良く放出される。

【0028】

対向導電領域２１は、例えば、上記の第１元素（ｎ形不純物）を含み、Ａｌ_ｚ１Ｇａ_１－ｚ１Ｎ（０≦ｚ１＜１、ｚ１＜ｘ１）を含む。組成比ｚ１は、例えば０．７５未満である。対向導電領域２１は、ｎ形のＧａＮ層である。

【0029】

例えば、対向導電領域２１は、第１対向面ｆｃ１及び第２対向面ｆｃ２を含む。第１対向面ｆｃ１は、第１結晶領域１１と第２対向面ｆｃ２との間にある。例えば、第２対向面ｆｃ２から第１対向面ｆｃ１への向きＯｃ１は、対向導電領域２１の＜０００－１＞方向に沿う。例えば、第１対向面ｆｃ１は、対向導電領域２１の（０００－１）面に沿う。第１対向面ｆｃ１は、例えば、対向導電領域２１のＮ面である。このような第１対向面ｆｃ１に向けて、上記の第１面ｆ１から効率的に電子が放出できる。

【0030】

図２に示すように、第２結晶領域１２は、第１電極Ｅ１と第２電極Ｅ２との間にある。第１結晶領域１１は、第２結晶領域１２と第２電極Ｅ２との間にある。対向導電領域２１は、第１結晶領域１１と第２電極Ｅ２との間にある。第１電極Ｅ１は、第２結晶領域１２と電気的に接続される。第２電極Ｅ２は、対向導電領域２１と電気的に接続される。

【0031】

対向導電領域２１の厚さｔｃ１は、例えば、０．１μｍ以上１０μｍ以下である。厚さｔｃ１は、Ｚ軸方向に沿う長さである。第１面ｆ１と第１対向面ｆｃ１との間の距離ｄ１は、例えば、０．１μｍ以上５０μｍ以下である。距離ｄ１は、Ｚ軸方向に沿う長さである。距離ｄ１は、間隙４０のＺ軸方向に沿う長さに対応する。

【0032】

図３は、第１実施形態に係る発電素子を例示する模式的斜視図である。
図３に示すように、例えば、容器７０が設けられる。容器７０の内部に、第１電極Ｅ１、第２結晶領域１２、第１結晶領域１１、対向導電領域２１及び第２電極Ｅ２が設けられる。容器７０の内部が減圧状態とされる。これにより、間隙４０が、減圧状態となる。

【0033】

例えば、第１端子７１及び第２端子７２が設けられる。第１端子７１は、第１電極Ｅ１と電気的に接続される。第２端子７２は、第２電極Ｅ２と電気的に接続される。第１端子７１と第２端子７２との間に、負荷３０が電気的に接続可能である。

【0034】

負荷３０が、第１配線７１ａにより第１電極Ｅ１と電気的に接続される。この例では、接続は、第１端子７１を介して行われる。負荷３０が、第２配線７２ａにより第２電極Ｅ２と電気的に接続される。この例では、接続は、第２端子７２を介して行われる。発電素子１１０は、容器７０、第１端子７１及び第２端子７２を含んでも良い。発電素子１１０は、第１配線７１ａ及び第２配線７２ａを含んでも良い。

【0035】

第１結晶領域１１の温度は、熱伝導により、第１電極Ｅ１の温度と実質的に同じと考えて良い。対向導電領域２１の温度は、熱伝導により、第２電極Ｅ２の温度と実質的に同じと考えて良い。

【0036】

第１電極Ｅ１の温度、及び、第１結晶領域１１の温度を第１温度Ｔ１とする。第２電極Ｅ２の温度、及び、対向導電領域２１の温度を第２温度Ｔ２とする。１つの例において、第１温度Ｔ１が第２温度Ｔ２よりも高くされる。例えば、第１電極Ｅ１を熱源に、接触または近づけることで、このような温度の差を設けることができる。

【0037】

実施形態において、このような温度差が設けられたときに、第１配線７１ａに、第１電極Ｅ１から負荷３０への電流Ｉ１が流れる。第２配線７２ａに、負荷３０から第２電極Ｅ２への電流Ｉ１が流れる。この電流Ｉ１が、発電素子１１０から得られる電力となる。

【0038】

この電流Ｉ１は、電子５１の移動に基づくと考えられる。例えば、第１結晶領域１１から間隙４０に向けて、電子５１が放出される。間隙４０中を移動した電子５１が、対向導電領域２１に到達する。電子５１は、対向導電領域２１を経て第２電極Ｅ２に流れ、第２配線７２ａを介して、負荷３０に到達する。電子５１は、第１配線７１ａを介して、第１電極Ｅ１に流れる。第１端子７１の温度が第２端子７２の温度よりも高いときに、負荷３０に電流が流れる。温度の差が、電流（電子の移動）に変換される。

【0039】

以下、発電素子の特性のシミュレーション結果の例について説明する。
図４（ａ）～図４（ｃ）、及び、図５（ａ）～図５（ｃ）は、発電素子の特性を例示するグラフ図である。
これらの図は、種々の構成を有する発電素子のモデルにおける伝導帯のエネルギーを示している。第１～第６モデルＭＤ１～ＭＤ６においては、第１電極Ｅ１及び第２電極Ｅ２として、Ｍｏの物性値が適用される。第１～第６モデルＭＤ１～ＭＤ６においては、対向導電領域２１は、ｎ形のＧａＮ層である。第１対向面ｆｃ１は、Ｎ面である。

【0040】

第１～第３モデルＭＤ１～ＭＤ３においては、第２結晶領域１２は、ｎ形のＧａＮ層である。第３面ｆ３は、Ｇａ面である。第２結晶領域１２は、Ｇａ極性である。第１～第３モデルＭＤ１～ＭＤ３においては、第１結晶領域１１は、ｉ－ＡｌＮ層である。ｉ－ＡｌＮ層におけるキャリア濃度は、２×１０^１６ｃｍ^－３以下である。第１結晶領域１１の第１面ｆ１は、Ｎ面である。第１結晶領域１１は、Ｎ極性である。第１モデルＭＤ１において、第１結晶領域１１の厚さｔ１は、１０ｎｍである。第２モデルＭＤ２において、第１結晶領域１１の厚さｔ１は、２０ｎｍである。第３モデルＭＤ３において、第１結晶領域１１の厚さｔ１は、４０ｎｍである。

【0041】

第４モデルＭＤ４及び第５モデルＭＤ５においては、第１結晶領域１１が設けられず、第２結晶領域１２は、ｎ形のＧａＮ層である。第４モデルＭＤ４においては、第３面ｆ３は、Ｇａ面である。第５モデルＭＤ５においては、第３面ｆ３は、Ｎ面である。

【0042】

第６モデルＭＤ６においては、第２結晶領域１２は、ｎ形のＧａＮ層であり、第３面ｆ３は、Ｇａ面である。第６モデルＭＤ６において、第１結晶領域１１は、ｉ－ＡｌＮ層であり、第１面ｆ１は、Ａｌ面である。第１結晶領域１１の厚さｔ１は、２０ｎｍである。

【0043】

図４（ａ）～図４（ｃ）、及び、図５（ａ）～図５（ｃ）において、横軸は、Ｚ軸方向に沿う位置ｐＺである。縦軸は、エネルギーＥｇである。図４（ａ）～図４（ｃ）、及び、図５（ａ）～図５（ｃ）の例では、第１電極Ｅ１の温度が８００Ｋであり、第２電極Ｅ２の温度が３００Ｋである。

【0044】

図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、第４モデルＭＤ４及び第５モデルＭＤ５においては、第２結晶領域１２の表面（間隙４０に対向する面）に対応する位置におけるエネルギー差Ｅｈは、２．５ｅＶまたは２．３ｅＶと大きい。図５（ｃ）に示すように、第６モデルＭＤ６においては、第１結晶領域１１の表面（間隙４０に対向する面）に対応する位置におけるエネルギー差Ｅｈは、３．６ｅＶと大きい。第４～第６モデルＭＤ４～ＭＤ６においては、電子５１は間隙４０に効率良く放出されることが困難である。

【0045】

図４（ａ）～図４（ｃ）に示すように、第１～第３モデルＭＤ１～ＭＤ３において、第１結晶領域１１の表面（間隙４０に対向する面）に対応する位置に、鋭いピークｐｋが観察される。ピークｐｋの幅（Ｚ軸方向に沿う長さ）は狭いため、電子５１はピークｐｋをトンネルして放出しやすい。第１～第３モデルＭＤ１～ＭＤ３において、鋭いピークｐｋを除いたエネルギー差Ｅｈが、実質的に、電子５１の放出のし易さに関係する。第１～第３モデルＭＤ１～ＭＤ３において、エネルギー差Ｅｈは、２．０ｅＶ以下である。第１モデルＭＤ１におけるエネルギー差Ｅｈは、１．９ｅＶである。第２モデルＭＤ２おけるエネルギー差Ｅｈは、１．４ｅＶである。第３モデルＭＤ３におけるエネルギー差Ｅｈは、０．６ｅＶである。第１～第３モデルＭＤ１～ＭＤ３において、電子５１は効率良く放出できる。高い効率の発電が得られる。厚さｔ１が厚いと、エネルギー差Ｅｈは小さくなる。

【0046】

図６（ａ）及び図６（ｂ）は、第１実施形態に係る発電素子を例示する模式的断面図である。
図６（ａ）に示すように、第２面ｆ２から第１面ｆ１への向きＯｒ１は、＜０００－１＞方向に対して傾斜しても良い。向きＯｒ１と＜０００－１＞方向との間の角度は、例えば０度以上１０度以下である。

【0047】

図６（ｂ）に示すように、第４面ｆ４から第３面ｆ３への向きＯｒ２は、＜０００１＞方向に対して傾斜しても良い。向きＯｒ２と＜０００１＞方向との間の角度は、例えば０度以上１０度以下である。

【0048】

実施形態において、第１結晶領域１１の第１面ｆ１には、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｆｒ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ及びＲａよりなる群から選択された少なくとも１つが存在して良い。例えば、第１面ｆ１にこれらの元素が吸着する。例えば、第１結晶領域１１の第１面ｆ１は、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｆｒ、Ｂｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ及びＲａよりなる群から選択された少なくとも１つを含む。これにより、第１結晶領域１１から電子５１が、より効率的に放出される。

【0049】

図７は、第１実施形態に係る発電素子を例示する模式的断面図である。
図７に示すように、実施形態に係る発電素子１１１は、第１結晶領域１１及び第２結晶領域１２に加えて、第３結晶領域１３をさらに含む。第３結晶領域１３は、第２結晶領域１２と第１結晶領域１１との間に設けられる。第３結晶領域１３は、Ａｌ_ｘ３Ｇａ_１－ｘ３Ｎ（ｘ２＜ｘ３≦１）を含む。例えば、組成比ｘ３は、０．７５以上である、第３結晶領域１３は、例えば、ＡｌＮ層である。第３結晶領域１３は、ｉ－ＡｌＮ層でも良い。例えば、第３結晶領域１３は、第５面ｆ５及び第６面ｆ６を含む。第５面ｆ５は、第６面ｆ６と第１結晶領域１１との間にある。

【0050】

第６面ｆ６から第５面ｆ５への向きＯｒ３は、第３結晶領域１３の＜０００１＞方向に沿う。例えば、第５面ｆ５は、第３結晶領域１３の（０００１）面でも良い。

【0051】

第３結晶領域１３と第１結晶領域１１とにおいて、結晶の極性が反転する。このような第２結晶領域１２、第３結晶領域１３及び第１結晶領域１１は、例えば、炭素や酸素を不純物として吸着させた表面層を形成し、その後、結晶成長することで得られる。このような第２結晶領域１２、第３結晶領域１３及び第１結晶領域１１は、例えば、非平衡な結晶成長法である分子線エピタキシーによって極性を制御することで得られる。

【0052】

第３結晶領域１３における第１元素（ｎ形不純物）の濃度は、２×１０^１８ｃｍ^－３以下である。第３結晶領域１３の厚さｔ３は、１０ｎｍ以下である。第３結晶領域１３の厚さｔ３は、例えば、０．１ｎｍ以上で良い。

【0053】

図８は、発電素子の特性を例示するグラフ図である。
図８は、発電素子の１つのモデルにおける伝導帯のエネルギーを示している。第７モデルＭＤ７においては、第１電極Ｅ１及び第２電極Ｅ２として、Ｍｏの物性値が適用される。第７モデルＭＤ７においては、対向導電領域２１は、ｎ形のＧａＮ層である。第１対向面ｆｃ１は、Ｎ面である。

【0054】

第７モデルＭＤ７においては、第２結晶領域１２は、ｎ形のＧａＮ層である。第３面ｆ３は、Ｇａ面である。第２結晶領域１２は、Ｇａ極性である。第７モデルＭＤ７においては、第３結晶領域１３は、ｉ－ＡｌＮ層である。第５面ｆ５は、Ａｌ面である。第３結晶領域１３は、Ａｌ極性である。第３結晶領域１３の厚さｔ３は、１０ｎｍである。第７モデルＭＤ７においては、第１結晶領域１１は、ｉ－ＡｌＮ層である。ｉ－ＡｌＮ層におけるキャリア濃度は、２×１０^１６ｃｍ^－３以下である。第１結晶領域１１の第１面ｆ１は、Ｎ面である。第１結晶領域１１は、Ｎ極性である。第１結晶領域１１の厚さｔ１は、１０ｎｍである。

【0055】

図８に示すように、第７モデルＭＤ７において、第１結晶領域１１の表面（間隙４０に対向する面）に対応する位置に、鋭いピークｐｋが観察される。ピークｐｋの幅（Ｚ軸方向に沿う長さ）は狭いため、電子５１はピークｐｋをトンネルして放出しやすい。第７モデルＭＤ７において、鋭いピークｐｋを除いたエネルギー差Ｅｈが、実質的に、電子５１の放出のし易さに関係する。第７モデルＭＤ７において、エネルギー差Ｅｈは、２．４ｅＶである。

【0056】

第７モデルＭＤ７のように、第２結晶領域１２、第３結晶領域１３及び第１結晶領域１１の構成において、比較的小さいエネルギー差Ｅｈが得られる。第２結晶領域１２と第１結晶領域１１との間に、III族（Ａｌ）極性の第３結晶領域１３が設けられる。III族（Ａｌ）極性の第３結晶領域１３は、製造が容易である。第３結晶領域１３において、安定した結晶品質が得られる。このような第３結晶領域１３の上にＮ極性の第１結晶領域１１が設けられることで、第１結晶領域１１において、安定した結晶品質が得られる。安定した結晶品質により、電子５１が高い効率で放出できる。

【0057】

図９は、第１実施形態に係る発電素子を例示する模式的断面図である。
図９に示すように、第６面ｆ６から第５面ｆ５への向きＯｒ３は、＜０００１＞方向に対して傾斜しても良い。向きＯｒ３と＜０００１＞方向との間の角度は、例えば０度以上１０度以下である。

【0058】

（第２実施形態）
図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、第２実施形態に係る発電モジュール及び発電装置を示す模式図的断面図である。
図１０（ａ）に示すように、実施形態に係る発電モジュール２１０においては、第１実施形態に係る発電素子（例えば発電素子１１０など）を含む。この例では、基板１２０の上において、複数の発電素子１１０が並ぶ。

【0059】

図１０（ｂ）に示すように、実施形態に係る発電装置３１０は、上記の発電モジュール２１０を含む。複数の発電モジュール２１０が設けられても良い。この例では、基板２２０の上において、複数の発電モジュール２１０が並ぶ。

【0060】

図１１（ａ）及び図１１（ｂ）は、実施形態に係る発電装置及び発電システムを示す模式図である。
図１１（ａ）及び図１１（ｂ）に示すように、実施形態に係る発電装置３１０（すなわち、実施形態に係る発電素子１１０など）は、太陽熱発電に応用できる。

【0061】

図１１（ａ）に示すように、例えば、太陽６１からの光は、ヘリオスタット６２で反射し、発電装置３１０（発電素子１１０または発電モジュール２１０）に入射する。光は、第１電極Ｅ１の第１温度Ｔ１を上昇させる。第１温度Ｔ１が第２温度Ｔ２よりも高くなる。熱が、電流に変化される。電流が電線６５などにより送電される。

【0062】

図１１（ｂ）に示すように、例えば、太陽６１からの光は、集光ミラー６３で集光され、発電装置３１０（発電素子１１０または発電モジュール２１０）に入射する。光による熱が、電流に変化される。電流が電線６５などにより送電される。

【0063】

例えば、発電システム４１０は、発電装置３１０を含む。この例では、複数の発電装置３１０が設けられる。この例では、発電システム４１０は、発電装置３１０と、駆動装置６６と、を含む。駆動装置６６は、発電装置３１０を太陽６１の動きに追尾させる。追尾により、効率的な発電が実施できる。

【0064】

実施形態に係る発電素子（例えば発電素子１１０など）を用いることで、高効率の発電が実施できる。

【0065】

実施形態によれば、安定して効率を向上できる発電素子、発電モジュール、発電装置、及び、発電システムが提供できる。

【0066】

なお、本明細書において「窒化物半導体」とは、Ｂ_ｘＩｎ_ｙＡｌ_ｚＧａ_{１－ｘ－ｙ－ｚ}Ｎ（０≦ｘ≦１，０≦ｙ≦１，０≦ｚ≦１，ｘ＋ｙ＋ｚ≦１）なる化学式において組成比ｘ、ｙ及びｚをそれぞれの範囲内で変化させた全ての組成の半導体を含むものとする。またさらに、上記化学式において、Ｎ（窒素）以外のＶ族元素もさらに含むもの、導電形などの各種の物性を制御するために添加される各種の元素をさらに含むもの、及び、意図せずに含まれる各種の元素をさらに含むものも、「窒化物半導体」に含まれるものとする。

【0067】

以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、発電素子に含まれる電極、部材結晶領域、層領域及び端子などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。

【0068】

また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。

【0069】

その他、本発明の実施の形態として上述した発電素子、発電モジュール、発電装置、発電システム、及び、発電素子の製造方法を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての発電素子、発電モジュール、発電装置、発電システム、及び、発電素子の製造方法も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。

【0070】

その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。

【0071】

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】

【0072】

１１～１３…第１～第３結晶領域、 ２１…対向導電領域、 ３０…負荷、 ４０…間隙、 ５１…電子、 ６１…太陽、 ６２…ヘリオスタット、 ６３…集光ミラー、 ６５…電線、 ６６…駆動装置、 ７０…容器、 ７１、７２…第１、第２端子、 ７１ａ、７２ａ…第１、第２配線、 １０１、１１０、１１１…発電素子、 １２０…基板、 ２１０…発電モジュール、 ２２０…基板、 ３１０…発電装置、 ４１０…発電システム、 Ｅ１、Ｅ２…第１、第２電極、 Ｅｇ…エネルギー、 Ｅｈ…エネルギー差、 Ｉ１…電流、 ＭＤ１～ＭＤ７…第１～第７モデル、 Ｏｃ１、Ｏｒ１～Ｏｒ３…向き、 Ｔ１、Ｔ２…第１、第２温度、 ｄ１…距離、 ｆ１～ｆ６…第１～第６面、 ｆｃ１、ｆｃ２…第１、第２対向面、 ｐＺ…位置、 ｐｋ…ピーク、 ｔ１～ｔ３、ｔｃ１…厚さ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】