特許 7490536 発電素子及び発電システム

(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】2024-05-17

(45)【発行日】2024-05-27

(54)【発明の名称】発電素子及び発電システム

(51)【国際特許分類】

   H10N 15/10 20230101AFI20240520BHJP

   H02N 11/00 20060101ALI20240520BHJP

【ＦＩ】

H10N15/10

H02N11/00 A

【請求項の数】 21

(21)【出願番号】P 2020186473

(22)【出願日】2020-11-09

(65)【公開番号】P2022076177

(43)【公開日】2022-05-19

【審査請求日】2023-03-03

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(73)【特許権者】

【識別番号】317015294

【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社

(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】宮崎 久生

(72)【発明者】

【氏名】木村 重哉

(72)【発明者】

【氏名】冨田 洋

(72)【発明者】

【氏名】上野 聡一

(72)【発明者】

【氏名】星 岳志

【審査官】宮本 博司

(56)【参考文献】

【文献】特開２００８－２２８４７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－１７０７８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１８－１９５７９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０２０／０７１５３５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００６－３３２３９８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ１０Ｎ １５／１０

Ｈ０２Ｎ １１／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１導電層と、
第２導電層であって、前記第２導電層から前記第１導電層への方向は第１方向に沿う、前記第２導電層と、
前記第１導電層と前記第２導電層との間に設けられた結晶部材であって、前記結晶部材は、結晶ペアを含み、前記結晶ペアは、第１結晶部と第２結晶部とを含み、前記第１結晶部から前記第２結晶部への第２方向は、前記第１方向と交差し、前記第１結晶部と前記第２結晶部との間に間隙が設けられ、前記第１導電層は、前記第１結晶部と電気的に接続され、前記第２導電層は、前記第２結晶部と電気的に接続された、前記結晶部材と、
を備え、
前記第１結晶部の結晶方位の向きは、前記第２結晶部の結晶方位の向きと逆の成分を含み、
前記第１結晶部の前記結晶方位の前記向きは、前記第２方向に沿う、発電素子。

【請求項2】

前記第１結晶部は、前記第１方向に沿う第１厚さと、前記第２方向に沿う第１幅と、を有し、
前記第１厚さは、前記第１幅よりも大きく、
前記第２結晶部は、前記第１方向に沿う第２厚さと、前記第２方向に沿う第２幅と、を有し、
前記第２厚さは、前記第２幅よりも大きい、請求項１記載の発電素子。

【請求項3】

前記第１結晶部は、前記第１方向及び前記第２方向を含む平面と交差する第３方向に沿う第１長さを有し、
前記第１長さは、前記第１厚さよりも大きく、
前記第２結晶部は、前記第３方向に沿う第２長さを有し、
前記第２長さは、前記第２厚さよりも大きい、請求項２記載の発電素子。

【請求項4】

前記間隙の前記第２方向に沿う長さは、前記第１幅よりも小さく、前記第２幅よりも小さい、請求項２または３に記載の発電素子。

【請求項5】

前記間隙の前記第２方向に沿う前記長さは、１０μｍ以下である、請求項４記載の発電素子。

【請求項6】

前記第１結晶部の＜０００－１＞方向は、前記第２結晶部の＜０００－１＞方向と逆である、請求項１～５のいずれか１つに記載の発電素子。

【請求項7】

前記第１結晶部の（０００－１）面は、前記第２結晶部と対向し、
前記第２結晶部の（０００－１）面は、前記第１結晶部と対向し、
前記第１結晶部の前記（０００－１）面と、前記第２結晶部の前記（０００－１）面との間に前記間隙がある、請求項１～５のいずれか１つに記載の発電素子。

【請求項8】

前記第１結晶部は、Ｂ、Ａｌ、Ｉｎ及びＧａからなる群から選択された少なくとも１つと、窒素と、を含む、
前記第２結晶部は、Ｂ、Ａｌ、Ｉｎ及びＧａからなる群から選択された少なくとも１つと、窒素と、を含む、請求項１～７のいずれか１つに記載の発電素子。

【請求項9】

前記第１結晶部は、Ａｌ_ｘ１Ｇａ_１－ｘ１Ｎ（１≦ｘ１≦１）を含み、
前記第２結晶部は、Ａｌ_ｘ２Ｇａ_１－ｘ２Ｎ（１≦ｘ２≦１）を含む、請求項１～７のいずれか１つに記載の発電素子。

【請求項10】

前記第１結晶部は、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｅ及びＳｎよりなる群から選択された少なくとも１つを含み、
前記第２結晶部は、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、請求項８または９に記載の発電素子。

【請求項11】

第１導電層と、
第２導電層であって、前記第２導電層から前記第１導電層への方向は第１方向に沿う、前記第２導電層と、
前記第１導電層と前記第２導電層との間に設けられた結晶部材であって、前記結晶部材は、結晶ペアを含み、前記結晶ペアは、第１結晶部と第２結晶部とを含み、前記第１結晶部から前記第２結晶部への第２方向は、前記第１方向と交差し、前記第１結晶部と前記第２結晶部との間に間隙が設けられ、前記第１導電層は、前記第１結晶部と電気的に接続され、前記第２導電層は、前記第２結晶部と電気的に接続された、前記結晶部材と、
を備え、
前記第１結晶部は、Ｂ、Ａｌ、Ｉｎ及びＧａからなる群から選択された少なくとも１つと、窒素と、を含む、
前記第２結晶部は、Ｂ、Ａｌ、Ｉｎ及びＧａからなる群から選択された少なくとも１つと、窒素と、を含み、
前記第１結晶部は、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｅ及びＳｎよりなる群から選択された少なくとも１つを含み、
前記第２結晶部は、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、発電素子。

【請求項12】

第１導電層と、
第２導電層であって、前記第２導電層から前記第１導電層への方向は第１方向に沿う、前記第２導電層と、
前記第１導電層と前記第２導電層との間に設けられた結晶部材であって、前記結晶部材は、結晶ペアを含み、前記結晶ペアは、第１結晶部と第２結晶部とを含み、前記第１結晶部から前記第２結晶部への第２方向は、前記第１方向と交差し、前記第１結晶部と前記第２結晶部との間に間隙が設けられ、前記第１導電層は、前記第１結晶部と電気的に接続され、前記第２導電層は、前記第２結晶部と電気的に接続された、前記結晶部材と、
を備え、
前記第１結晶部は、Ａｌ _ｘ１ Ｇａ _１－ｘ１ Ｎ（１≦ｘ１≦１）を含み、
前記第２結晶部は、Ａｌ _ｘ２ Ｇａ _１－ｘ２ Ｎ（１≦ｘ２≦１）を含み、
前記第１結晶部は、Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｅ及びＳｎよりなる群から選択された少なくとも１つを含み、
前記第２結晶部は、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、発電素子。

【請求項13】

前記第１結晶部は、ＺｎＯ及びＺｎＭｇＯからなる群から選択された少なくとも１つを含み、
前記第２結晶部は、ＺｎＯ及びＺｎＭｇＯからなる群から選択された少なくとも１つを含む、請求項１～５のいずれか１つに記載の発電素子。

【請求項14】

前記第１結晶部は、
第１部分と、
前記第１部分の表面に設けられた第１表面層と、
を含み、
前記第１表面層は、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、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２結晶部と、前記第１導電層の少なくとも一部と、の間に設けられた第１絶縁部材と、
前記第１結晶部と、前記第２導電層の少なくとも一部と、の間に設けられた第２絶縁部材と、
をさらに備えた、請求項１～１４のいずれか１つに記載の発電素子。

【請求項16】

前記結晶部材は、複数の前記結晶ペアを含み、
前記複数の結晶ペアは、前記第２方向に沿って並ぶ、請求項１～１５のいずれか１つに記載の発電素子。

【請求項17】

前記複数の結晶ペアの１つの前記第２結晶部は、前記複数の結晶ペアの１つの前記第１結晶部と、前記複数の結晶ペアの別の１つの前記第１結晶部と、の間にあり、
前記複数の結晶ペアの前記１つの前記第２結晶部と、前記複数の結晶ペアの前記１つの前記第１結晶部と、の間に前記間隙がある、請求項１６記載の発電素子。

【請求項18】

前記複数の結晶ペアの前記１つの前記第２結晶部の少なくとも一部は、前記複数の結晶ペアの前記別の１つの前記第１結晶部の少なくとも一部と接した、請求項１７記載の発電素子。

【請求項19】

第１導電層と、
第２導電層であって、前記第２導電層から前記第１導電層への方向は第１方向に沿う、前記第２導電層と、
前記第１導電層と前記第２導電層との間に設けられた結晶部材であって、前記結晶部材は、結晶ペアを含み、前記結晶ペアは、第１結晶部と第２結晶部とを含み、前記第１結晶部から前記第２結晶部への第２方向は、前記第１方向と交差し、前記第１結晶部と前記第２結晶部との間に間隙が設けられ、前記第１導電層は、前記第１結晶部と電気的に接続され、前記第２導電層は、前記第２結晶部と電気的に接続された、前記結晶部材と、
を備え、
前記結晶部材は、複数の前記結晶ペアを含み、
前記複数の結晶ペアは、前記第２方向に沿って並び、
前記複数の結晶ペアの１つの前記第２結晶部は、前記複数の結晶ペアの１つの前記第１結晶部と、前記複数の結晶ペアの別の１つの前記第１結晶部と、の間にあり、
前記複数の結晶ペアの前記１つの前記第２結晶部と、前記複数の結晶ペアの前記１つの前記第１結晶部と、の間に前記間隙があり、
前記複数の結晶ペアの前記１つの前記第２結晶部の少なくとも一部は、前記複数の結晶ペアの前記別の１つの前記第１結晶部の少なくとも一部と接した、発電素子。

【請求項20】

前記第１導電層の温度が前記第２導電層の温度よりも高いときに、
前記第１結晶部から前記第２結晶部に向けて電子が放出され、
前記第２導電層の前記温度が前記第１導電層の前記温度よりも高いときに、
前記第２結晶部から前記第１結晶部に向けて電子が放出される、請求項１～１９のいずれか１つに記載の発電素子。

【請求項21】

請求項１～２０のいずれか１つに記載の発電素子を備えた発電システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、発電素子及び発電システムに関する。

【背景技術】

【0002】

例えば、熱電子素子などの発電素子がある。発電素子において、効率の向上が望まれる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２０１２－２４８６１８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、効率を向上可能な発電素子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、第１導電層、第２導電層及び結晶部材を含む。前記第２導電層から前記第１導電層への方向は第１方向に沿う。前記結晶部材は、前記第１導電層と前記第２導電層との間に設けられる。前記結晶部材は、結晶ペアを含む。前記結晶ペアは、第１結晶部と第２結晶部とを含む。前記第１結晶部から前記第２結晶部への第２方向は、前記第１方向と交差する。前記第１結晶部と前記第２結晶部との間に間隙が設けられる。前記第１導電層は、前記第１結晶部と電気的に接続される。前記第２導電層は、前記第２結晶部と電気的に接続される。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】図１（ａ）及び図１（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2】図２（ａ）及び図２（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3】図３（ａ）～図３（ｃ）は、第１実施形態に係る発電素子の製造方法を例示する工程順模式的断面図である。

【図4】図４（ａ）～図４（ｃ）は、第１実施形態に係る発電素子の製造方法を例示する工程順模式的断面図である。

【図5】図５（ａ）～図５（ｃ）は、第１実施形態に係る発電素子の製造方法を例示する工程順模式的断面図である。

【図6】図６（ａ）～図６（ｃ）は、第１実施形態に係る発電素子の製造方法を例示する工程順模式的断面図である。

【図7】図７（ａ）～図７（ｃ）は、第１実施形態に係る発電素子の製造方法を例示する工程順模式的断面図である。

【図8】図８（ａ）～図８（ｃ）は、第１実施形態に係る発電素子の製造方法を例示する工程順模式的断面図である。

【図9】図９（ａ）～図９（ｃ）は、第１実施形態に係る発電素子の製造方法を例示する工程順模式的断面図である。

【図10】図１０（ａ）～図１０（ｃ）は、第１実施形態に係る発電素子の製造方法を例示する工程順模式的断面図である。

【図11】図１１（ａ）～図１１（ｃ）は、第１実施形態に係る発電素子の製造方法を例示する工程順模式的断面図である。

【図12】図１２（ａ）～図１２（ｃ）は、第１実施形態に係る発電素子の製造方法を例示する工程順模式的断面図である。

【図13】図１３（ａ）～図１３（ｃ）は、第１実施形態に係る発電素子の製造方法を例示する工程順模式的断面図である。

【図14】図１４（ａ）～図１４（ｃ）は、第１実施形態に係る発電素子の製造方法を例示する工程順模式的断面図である。

【図15】図１５は、第１実施形態に係る発電素子の製造方法を例示する工程順模式的断面図である。

【図16】図１６は、第２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17】図１７（ａ）及び図１７（ｂ）は、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18】図１８（ａ）及び図１８（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（ａ）及び図１（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１（ｂ）は、図１（ａ）のＡ１－Ａ２線断面図である。図１（ａ）は、図１（ｂ）のＢ１－Ｂ２線断面図である。

【0009】

図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、実施形態に係る発電素子１１０は、第１導電層２１、第２導電層２２及び結晶部材１０を含む。

【0010】

第２導電層２２から第１導電層２１への方向は、第１方向に沿う。第１方向をＺ軸方向とする。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。

【0011】

第１導電層２１及び第２導電層２２は、例えば、Ｘ－Ｙ平面に沿って広がる。

【0012】

結晶部材１０は、第１導電層２１と第２導電層２２との間に設けられる。結晶部材１０は、結晶ペア１０Ｐを含む。結晶ペア１０Ｐは、第１結晶部１１及び第２結晶部１２を含む。第１結晶部１１から第２結晶部１２への第２方向は、第１方向と交差する。第２方向は、例えば、Ｘ軸方向である。第１結晶部１１と第２結晶部１２との間に、間隙１８が設けられる。例えば、間隙１８における気圧は、１気圧よりも低い。間隙１８は、例えば、減圧状態である。

【0013】

この例では、結晶部材１０は、複数の結晶ペア１０Ｐを含む。複数の結晶ペア１０Ｐは、第２方向（例えばＸ軸方向）に沿って並ぶ。

【0014】

例えば、複数の結晶ペア１０Ｐの１つの第２結晶部１２は、複数の結晶ペア１０Ｐのその１つの第１結晶部１１と、複数の結晶ペア１０Ｐの別の１つの第１結晶部１１と、の間にある。複数の結晶ペア１０Ｐの上記の１つの第２結晶部１２と、複数の結晶ペア１０Ｐの上記の１つの第１結晶部１１と、の間に間隙１８がある。例えば、複数の結晶ペア１０Ｐの上記の１つの第２結晶部１２の少なくとも一部は、複数の結晶ペア１０Ｐの上記の別の１つの第１結晶部１１の少なくとも一部と接する。

【0015】

１つの第１結晶部１１と、１つの第２結晶部１２と、それらの間の間隙１８とが、１つの結晶ペア１０Ｐとなる。

【0016】

第１導電層２１は、複数の結晶ペア１０Ｐの上記の１つの第１結晶部１１と電気的に接続される。第２導電層２２は、複数の結晶ペア１０Ｐの上記１つの第２結晶部１２と電気的に接続される。複数の結晶ペア１０Ｐの上記の別の１つの第１結晶部１１は、第２導電層２２と電気的に接続される。複数の結晶ペア１０Ｐの別の１つの第２結晶部１２は、第１導電層２１と電気的に接続される。

【0017】

例えば、第１導電層２１の温度が第２導電層２２の温度よりも高いときに、第１結晶部１１から第２結晶部１２に向けて電子が放出される。電子は、間隙１８を通過して、第２結晶部１２に到達する。第２導電層２２の温度が第１導電層２１の温度よりも高いときに、第２結晶部１２から第１結晶部１１に向けて電子が放出される。電子は、間隙１８を通過して、第１結晶部１１に到達する。

【0018】

例えば、第１導電層２１に電気的に接続された第１端子２１Ｔと、第２導電層２２に電気的に接続された第２端子２２Ｔと、が設けられても良い。電子に伴う電流が、これらの端子を介して取り出される。電流を電力として利用できる。発電素子１１０において、電子は、例えば、熱電子である。

【0019】

第１結晶部１１及び第２結晶部１２が互いに対向する領域において発電が行われる。実施形態においては、第１結晶部１１及び第２結晶部１２が互いに対向する方向が、第１導電層２１及び第２導電層２１の積層方向と交差する。これにより、第１結晶部１１及び第２結晶部１２が互いに対向する領域の密度を高くすることができる。これにより、体積当たり（または面積当たり）の発電量を大きくできる。実施形態においては、効率を向上可能な発電素子を提供できる。

【0020】

図２（ａ）及び図２（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２（ｂ）は、図２（ａ）の一部の拡大図である。
図２（ａ）に示すように、第１結晶部１１は、第１方向（Ｚ軸方向）に沿う第１厚さｔ１と、第２方向（例えばＸ軸方向）に沿う第１幅ｗ１と、を有する。第１厚さｔ１は、第１幅ｗ１よりも大きい。第２結晶部１２は、第１方向に沿う第２厚さｔ２と、第２方向に沿う第２幅ｗ２と、を有する。第２厚さｔ２は、第２幅ｗ２よりも大きい。第１厚さｔ１及び第２厚さｔ２が大きいことにより、第１結晶部１１及び第２結晶部１２が互いに対向する領域を大きくできる。高い効率が得易くできる。

【0021】

図１（ｂ）に示すように、第１結晶部１１は、第３方向に沿う第１長さＬ１を有する。第３方向は、第１方向及び第２方向を含む平面と交差する。第３方向は、例えば、Ｙ軸方向である。第１長さＬ１は、第１厚さｔ１よりも大きい。第２結晶部１２は、第３方向に沿う第２長さＬ２を有する。第２長さＬ２は、第２厚さｔ１よりも大きい。第１結晶部１１及び第２結晶部１２は、Ｙ軸方向に沿う帯状である。第１長さＬ１及び第２長さＬ２が長いことで、第１結晶部１１及び第２結晶部１２が互いに対向する領域を大きくできる。高い効率が得易くできる。

【0022】

図２（ａ）に示すように、間隙１８の第２方向（例えばＸ軸方向）に沿う長さｄ１を有する。長さｄ１は、ギャップ長に対応する。１つの例において、長さｄ１は、第１幅ｗ１よりも小さく、第２幅ｗ２よりも小さい。長さｄ１が短いことで、電子が効率良く間隙１８を通過できる。高い効率が得易い。

【0023】

例えば、間隙１８の第２方向に沿う長さｄ１は、１０μｍ以下である。例えば、長さｄ１は、５μｍ以下でも良い。

【0024】

図２（ｂ）に示すように、第１結晶部１１は、第２結晶部１２と対向する第１面１１ｆを含む。第１面１１ｆは、凹凸１１ｄｐを含んでも良い。凹凸１１ｄｐの第２方向（例えばＸ軸方向）に沿う高さｈ１は、例えば、０．０１μｍ以上１０μｍ以下である。

【0025】

図２（ｂ）に示すように、第２結晶部１２は、第１結晶部１１と対向する第２面１２ｆを含む。第２面１２ｆは、凹凸１２ｄｐを含んでも良い。凹凸１２ｄｐの第２方向（例えばＸ軸方向）に沿う高さｈ２は、例えば、０．０１μｍ以上１０μｍ以下である。

【0026】

第１面１１ｆ及び第２面１２ｆに凹凸が設けられる場合、間隙１８の第２方向に沿う長さｄ１は、実用的に、第１面１１ｆと第２面１２ｆとの間の第２方向に沿う距離の平均として良い。

【0027】

図２（ｂ）に示すように、第１結晶部１１は、第１部分１１ａと、第１表面層１１ｓと、を含んでも良い。第１表面層１１ｓは、第１部分１１ａの表面に設けられる。例えば、第１表面層１１ｓは、第１部分１１ａと第２結晶部１２との間にある。第１部分１１ａは、結晶部分である。第１部分１１ａは、例えば、窒化物半導体などを含む。第１表面層１１ｓは、例えば、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。第１表面層１１ｓは、例えば、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つを含む吸着物を含む。第１表面層１１ｓとして、例えば、第１部分１１ａの表面にＣｓが吸着していても良い。

【0028】

図２（ｂ）に示すように、第２結晶部１２は、第２部分１２ａと、第２表面層１２ｓと、を含んでも良い。第１表面層１２ｓは、第２部分１２ａの表面に設けられる。例えば、第２表面層１２ｓは、第２部分１２ａと第１結晶部１１との間にある。第２部分１２ａは、結晶部分である。第２部分１２ａは、例えば、窒化物半導体などを含む。第２表面層１２ｓは、例えば、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。第２表面層１２ｓは、例えば、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つを含む吸着物を含む。第２表面層１２ｓとして、例えば、第２部分１２ａの表面にＣｓが吸着していても良い。このような表面層が設けられることで、例えば、電子放出効率が向上する。

【0029】

図１（ａ）に示すように、この例では、発電素子１１０は、第１絶縁部材３１及び第２絶縁部材３２を含む。第１絶縁部材３１は、第２結晶部１２と、第１導電層２１の少なくとも一部と、の間に設けられる。第２絶縁部材３２は、第１結晶部１１と、第２導電層２２の少なくとも一部と、の間に設けられる。この例では、第１絶縁部材３１の一部は、第１結晶部１１と第１導電層２１との間にある。このような絶縁部材が設けられている状態で、第１導電層２１は、第１結晶部１１と電気的に接続され、第２導電層２２は、第２結晶部１２と電気的に接続される。このような構成により、１つの結晶ペア１０Ｐで得られた電流が、第１導電層２１及び第２導電層２２を介して、適切に外部に取り出される。

【0030】

図１（ａ）に示すように、１つの例において、第１結晶部１１の結晶方位１１Ａの向きは、第２結晶部１２の結晶方位１２Ａの向きと逆の成分を含む。例えば、第１結晶部１１の結晶方位１１Ａの向きは、第２方向に沿う。例えば、第１結晶部１１の結晶方位１１Ａの向きは、第２結晶部１２から第１結晶部１１への向きに沿う。例えば、第２結晶部１２の結晶方位１２Ａの向きは、第１結晶部１１から第２結晶部１２への向きに沿う。

【0031】

例えば、第１結晶部１１の＜０００－１＞方向は、第２結晶部１２の＜０００－１＞方向と逆である。

【0032】

図１（ｂ）に示すように、例えば、第１結晶部１１の（０００－１）面１１Ｃは、第２結晶部１２と対向する。第２結晶部１２の（０００－１）面１２Ｃは、第１結晶部１１と対向する。第１結晶部１１の（０００－１）面１１Ｃと、第２結晶部１２の（０００－１）面１２Ｃとの間に、間隙１８がある。互いに対向する面が、（０００－１）面であることにより、電子が放出され易くなる。これにより、より高い効率が得られる。

【0033】

第１結晶部１１及び第２結晶部１２は、例えば、窒化物半導体を含む。例えば、第１結晶部１１は、Ｂ、Ａｌ、Ｉｎ及びＧａからなる群から選択された少なくとも１つと、窒素と、を含む。例えば、第２結晶部１２は、Ｂ、Ａｌ、Ｉｎ及びＧａからなる群から選択された少なくとも１つと、窒素と、を含む。

【0034】

例えば、第１結晶部１１は、Ａｌ_ｘ１Ｇａ_１－ｘ１Ｎ（１≦ｘ１≦１）を含む。第２結晶部１２は、Ａｌ_ｘ２Ｇａ_１－ｘ２Ｎ（１≦ｘ２≦１）を含む。組成比ｘ１は、組成比ｘ２と実質的に同じでよい。第１結晶部１１におけるＡｌの組成比ｘ１は、例えば、０以上０．７５以下であることが好ましい。第２結晶部１２におけるＡｌの組成比ｘ１は、例えば、０以上０．７５以下であることが好ましい。このような材料において、より高い効率が得易い。

【0035】

実施形態に係る１つの例において、第１結晶部１１及び第２結晶部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つの元素を含む。この元素は、例えば、ｎ形不純物として機能する。例えば、第１結晶部１１及び第２結晶部１２は、このｎ形不純物（Ｓｉ、Ｇｅ、Ｔｅ及びＳｎよりなる群から選択された少なくとも１つの元素）を含む。

【0036】

１つの例において、第１結晶部１１及び第２結晶部１２のｎ形不純物の濃度は、例えば、１×１０^１７／ｃｍ^３以上１×１０^２０／ｃｍ^３以下である。例えば、第１結晶部１１及び第２結晶部１２における電気抵抗が低くでき、良好な発電特性が得られる。

【0037】

実施形態において、第１結晶部１１及び第２結晶部１２は、ＺｎＯ及びＺｎＭｇＯからなる群から選択された少なくとも１つを含んでも良い。実施形態において、第１結晶部１１及び第２結晶部１２は、ＢａＴｉＯ_３、ＰｂＴｉＯ_３、Ｐｂ（Ｚｒ_ｘ，Ｔｉ_１－ｘ）Ｏ_３、ＫＮｂＯ_３、ＬｉＮｂＯ_３、ＬｉＴａＯ_３、Ｎａ_ｘＷＯ_３、Ｚｎ_２Ｏ_３、Ｂａ_２ＮａＮｂ_５Ｏ_５、Ｐｂ_２ＫＮｂ_５Ｏ_１５及びＬｉ_２Ｂ_４Ｏ_７からなる群から選択された少なくとも１つを含んでも良い。このような材料において、分極が生じる。分極により、電子がより効率的に放出される。

【0038】

第１絶縁部材３１及び第２絶縁部材３２は、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３及びＳｉＯ_２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、例えば、低い熱伝導率が得られる。例えば、高い断熱性が得られる。第１導電層２１及び第２導電層２２は、Ｍｏ及びＷよりなる群から選択された少なくとも１つを含む。

【0039】

以下、実施形態に係る発電素子の製造方法の例について説明する。

【0040】

図３（ａ）～図３（ｃ）、図４（ａ）～図４（ｃ）、図５（ａ）～図５（ｃ）、及び、図６（ａ）～図６（ｃ）は、第１実施形態に係る発電素子の製造方法を例示する工程順模式的断面図である。
図３（ａ）に示すように、基板４０ｓを準備する。基板４０ｓは、例えば、シリコンの（１１０）基板、または、シリコンの（１１２）基板などで良い。

【0041】

図３（ｂ）に示すように、基板４０ｓにマスク材４０Ｍを形成する。マスク材４０Ｍは、例えば、ＳｉＯ_２などを含む。マスク材４０Ｍは、Ｙ軸方向に沿って延びる。複数のマスク材４０Ｍが設けられる。

【0042】

図３（ｃ）に示すように、マスク材４０Ｍを用いて、基板４０ｓの一部を除去する。除去は、例えばＫＯＨなどを含む溶液を用いた処理などにより行われても良い。基板４０ｓに形成される。凹部の側面４０ｆは、例えば、Ｓｉ（１１１）面である。凹部の底部に、酸化シリコン膜４１などが形成されても良い。

【0043】

図４（ａ）に示すように、側面４０ｆから、結晶部材１０となる結晶を成長させる。結晶は、例えば、ＡｌＧａＮである。これにより、第１結晶部１１及び第２結晶部１２が形成される。第１結晶部１１の結晶方位１１Ａの向きは、第２結晶部１２の結晶方位１２Ａの向きと逆になる。

【0044】

図４（ｂ）に示すように、第１絶縁部材３１を形成する。第１絶縁部材３１は、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３を含む。

【0045】

図４（ｃ）に示すように、第１導電層２１を形成する。第１導電層２１の少なくとも一部は、例えば、接合により形成されても良い。

【0046】

図５（ａ）に示すように、基板４０ｓを除去する。除去は、例えば、研削及びドライエッチングの少なくともいずれかにより行われる。

【0047】

図５（ｂ）に示すように、第２絶縁部材３２を形成する。第２絶縁部材３２は、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３を含む。

【0048】

図５（ｃ）に示すように、ウエットエッチングを行う。ウエットエッチングは、例えば、ＫＯＨなどのアルカリ溶液によるエッチングを含む。これにより、間隙１８が形成される。間隙１８の部分において、第１結晶部１１及び第２結晶部１２の表面に凹凸が形成されても良い。

【0049】

図６（ａ）に示すように、マスク材３５Ｍを形成する。マスク材３５Ｍは、第２絶縁部材３２を覆う。マスク材３５Ｍは、第１結晶部１１の一部及び第２結晶部１２の一部を露出させる。マスク材３５Ｍは、例えば、レジストマスクである。

【0050】

図６（ｂ）に示すように、マスク材３５Ｍに覆われていない部分に導電膜２２ａを形成する。導電膜２２ａは、第１結晶部１１と第２結晶部１２の下面に形成される。導電膜２２ａは、例えば、蒸着などにより形成できる。導電膜２２ａの形成の後に、マスク材３５Ｍを除去する。

【0051】

図６（ｃ）に示すように、導電膜２２ｂを形成する。導電膜２２ａ及び導電膜２２ｂにより、第２導電層２２が得られる。

【0052】

間隙１８に、Ｃｓなどを導入した後に、導電膜２２ｂなどで金属接合することにより封止しても良い。このような方法により、例えば、発電素子１１０が得られる。

【0053】

図７（ａ）～図７（ｃ）、図８（ａ）～図８（ｃ）、図９（ａ）～図９（ｃ）、及び、図１０（ａ）～図１０（ｃ）は、第１実施形態に係る発電素子の製造方法を例示する工程順模式的断面図である。
図７（ａ）～図７（ｃ）に示すように、基板４０ｓにマスク材４０Ｍを形成し、マスク材４０Ｍを用いて基板４０ｓの一部を除去する。基板４０ｓの凹部が形成される。凹部の側面４０ｆは、例えば、Ｓｉ（１１１）面である。

【0054】

図８（ａ）に示すように、側面４０ｆから、結晶部材１０となる結晶を成長させる。結晶は、例えば、ＡｌＧａＮである。これにより、第１結晶部１１及び第２結晶部１２が形成される。第１結晶部１１の結晶方位１１Ａの向きは、第２結晶部１２の結晶方位１２Ａの向きと逆になる。図８（ａ）に示すように、他の結晶領域１３が形成されても良い。他の結晶領域１３における結晶方位は、第１結晶部１１及び第２結晶部１２の結晶方位とは異なる。図８（ａ）の例のように、マスク材４０Ｍの上に結晶部１７が形成されても良い。

【0055】

図８（ｂ）に示すように、例えば、ＨＦ処理などにより、表面を平坦化する。

【0056】

図８（ｃ）に示すように、第１絶縁部材３１を形成する。第１絶縁部材３１は、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３を含む。

【0057】

図９（ａ）に示すように、第１導電層２１を形成する。第１導電層２１は、例えば、接合などにより形成できる。

【0058】

図９（ｂ）に示すように、基板４０ｓを除去する。除去は、例えば、研削及びドライエッチングの少なくともいずれかにより行われる。この工程において、他の結晶領域１３も除去される。これにより、結晶部材１０に凹部が形成される。

【0059】

図９（ｃ）に示すように、第２絶縁部材３２を形成する。第２絶縁部材３２は、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３を含む。第２絶縁部材３２は、結晶部材１０の凹部にも形成される。

【0060】

図１０（ａ）に示すように、ドライエッチングまたはウエットエッチングの実施などにより、間隙１８を形成する。間隙１８の部分において、第１結晶部１１及び第２結晶部１２の表面に凹凸が形成されても良い。

【0061】

図１０（ｂ）に示すように、マスク材３５Ｍ（図６（ａ）参照）を用いて、マスク材３５Ｍに覆われていない部分に導電膜２２ａを形成し、その後、マスク材３５Ｍを除去する。

【0062】

図１０（ｃ）に示すように、導電膜２２ｂを形成する。導電膜２２ａ及び導電膜２２ｂにより、第２導電層２２が得られる。その後、間隙１８に、Ｃｓなどを導入し、金属接合などにより封止する。このような方法により、例えば、発電素子１１１が得られる。

【0063】

図１１（ａ）～図１１（ｃ）、図１２（ａ）～図１２（ｃ）、図１３（ａ）～図１３（ｃ）、図１４（ａ）～図１４（ｃ）、及び、図１５は、第１実施形態に係る発電素子の製造方法を例示する工程順模式的断面図である。
図１１（ａ）～図１１（ｃ）に示すように、基板４０ｓにマスク材４０Ｍを形成し、マスク材４０Ｍを用いて基板４０ｓの一部を除去する。基板４０ｓの凹部が形成される。凹部の側面４０ｆは、例えば、Ｓｉ（１１１）面である。

【0064】

図１２（ａ）～図１２（ｃ）に示すように、側面４０ｆから、結晶部材１０となる結晶（例えばＡｌＧａＮ）を成長させ、表面を平坦化し、第１絶縁部材３１を形成する。図１２（ａ）に示すように、この例では、他の結晶領域１３が形成される。

【0065】

図１３（ａ）～図１３（ｃ）に示すように、第１導電層２１を形成し、基板４０ｓ及び他の結晶領域１３を除去し、第２絶縁部材３２を形成する。

【0066】

図１４（ａ）に示すように、ドライエッチングまたはウエットエッチングの実施などにより、間隙１８を形成する。間隙１８の部分において、第１結晶部１１及び第２結晶部１２の表面に凹凸が形成されても良い。

【0067】

図１４（ｂ）に示すように、間隙１８にレジストマスク３５を埋め込む。さらに、マスク材３６を形成する。マスク材３６は、例えば、ＳｉＯ_２を含む。

【0068】

図１４（ｃ）に示すように、マスク材３６のレジストマスク３５と重なる領域、及び、マスク材３６の第２絶縁部材３２が設けられていない領域を除去する。除去は、例えば、別のマスク材を用いたエッチングになどにより行われる。レジストマスク３５の除去により、間隙１８が露出する。貫通穴が形成される。さらに、第２絶縁部材３２が設けられていない、第１結晶部１１の一部及び第２結晶部１２の一部の下面が露出する。

【0069】

図１５に示すように、例えば、蒸着などにより第２導電層２２を形成する。第２導電層２２となる材料は、貫通穴の開口部を塞ぐ。第２導電層２２を形成する前に、間隙１８に、Ｃｓなどを導入しても良い。このような方法により、例えば、発電素子１１２が得られる。

【0070】

（第２実施形態）
図１６は、第２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１６に示すように、発電素子１１０は、容器６０を含んでも良い。容器６０の中に第１導電層２１、第２導電層２２及び結晶部材１０が設けられる。容器６０の中の気圧は、大気圧よりも低い。例えば、空隙１８は、減圧状態である。１つの結晶部から放出された電子が効率的に他の結晶部に届く。

【0071】

以下、発電素子の応用の例について説明する。

【0072】

図１７（ａ）及び図１７（ｂ）は、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１７（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２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。

【0073】

図１７（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。

【0074】

図１８（ａ）及び図１８（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１８（ａ）及び図１８（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。

【0075】

図１８（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、発電素子の温度を上昇させる。熱が、電流に変換される。電流が、電線６５などにより送電される。

【0076】

図１８（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、電流に変換される。電流が、電線６５などにより送電される。

【0077】

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。発電システム４１０は、例えば、太陽光発電システムである。発電システム４１０は、発電設備の１つの例である。

【0078】

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。

【0079】

実施形態によれば、効率を向上可能な発電素子及び発電システムを提供することができる。

【0080】

本願明細書において、「電気的に接続される状態」は、複数の導電体が物理的に接してこれら複数の導電体の間に電流が流れる状態を含む。「電気的に接続される状態」は、複数の導電体の間に、別の導電体が挿入されて、これらの複数の導電体の間に電流が流れる状態を含む。

【0081】

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。

【0082】

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、導電層及び結晶部材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。

【0083】

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。

【0084】

その他、本発明の実施の形態として上述した発電素子及び発電システムを基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての発電素子及び発電システムも、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。

【0085】

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解される。

【0086】

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】

【0087】

１０…結晶部材、 １０Ｐ…結晶ペア、 １１、１２…第１、第２結晶部、 １１Ａ、１２Ａ…結晶方位、 １１Ｃ、１２Ｃ…（０００－１）面、 １１ａ、１２ａ…第１、第２部分、 １１ｄｐ、１２ｄｐ…凹凸、 １１ｆ、１２ｆ…第１、第２面、 １１ｓ、１２ｓ…表面層、 １３…他の結晶領域、 １７…結晶部、 １８…間隙、 ２１、２２…第１、第２導電層、 ２１Ｔ、２２Ｔ…端子、 ２２ａ、２２ｂ…導電膜、 ３１、３２…第１、第２絶縁部材、 ３５…有機部材、 ３５Ｍ…マスク材、 ３６…マスク材、 ４０Ｍ…マスク材、 ４０ｆ…側面、 ４０ｓ…基板、 ４１…酸化シリコン膜、 ６０…容器、 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、 １１０～１１２…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、 Ｌ１、Ｌ２…第１、第２長さ、 ｄ１…長さ、 ｈ１、ｈ２…高さ、 ｔ１、ｔ２…第１、第２厚さ、 ｗ１、ｗ２…第１、第２幅

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】