特許 7500402 発電素子

(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】2024-06-07

(45)【発行日】2024-06-17

(54)【発明の名称】発電素子

(51)【国際特許分類】

   H10N 15/00 20230101AFI20240610BHJP

   H02N 3/00 20060101ALI20240610BHJP

   H02N 11/00 20060101ALI20240610BHJP

【ＦＩ】

H10N15/00

H02N3/00 A

H02N11/00 A

【請求項の数】 21

(21)【出願番号】P 2020193238

(22)【出願日】2020-11-20

(65)【公開番号】P2022081967

(43)【公開日】2022-06-01

【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】木村 重哉

(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】冨田 洋

(72)【発明者】

【氏名】上野 聡一

(72)【発明者】

【氏名】星 岳志

(72)【発明者】

【氏名】清水 達雄

【審査官】宮本 博司

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２０－０６８２３８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－１５８９１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－２３６０５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２０－１７０７８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２００７／００６９３５７（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ１０Ｎ １５／００

Ｈ０２Ｎ ３／００

Ｈ０２Ｎ １１／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１面を含む第１導電領域と、
複数の第２導電領域であって、前記複数の第２導電領域は、前記第１面に沿って並び、前記複数の第２導電領域と前記第１面との間に空隙が設けられた、前記複数の第２導電領域と、
絶縁性の複数の構造体領域であって、前記複数の構造体領域の１つは、前記複数の第２導電領域の１つと前記第１面との間に設けられ、前記複数の構造体領域の別の１つは、前記複数の第２導電領域の別の１つと前記第１面との間に設けられた前記複数の構造体領域と、
を備え、
前記第１導電領域は、
第１導電層と、
前記第１導電層と前記複数の第２導電領域との間に設けられた第１結晶領域と、
を含み、
前記複数の第２導電領域の前記１つは、
第２導電層と、
前記第２導電層と前記第１導電領域との間に設けられた第２結晶領域と、
を含み、
前記複数の構造体領域の前記１つは、前記複数の第２導電領域の前記１つの前記第２結晶領域と前記第１結晶領域との間に設けられ、前記複数の構造体領域の前記別の１つは、前記複数の第２導電領域の前記別の１つの前記第２結晶領域と前記第１結晶領域との間に設けられた、発電素子。

【請求項2】

第１状態において、前記第１面は、凹状である、請求項１記載の発電素子。

【請求項3】

前記第１導電領域は、第２面をさらに含み、
前記第１面は、前記第２面と、前記複数の第２導電領域と、の間にあり、
前記第１状態において、前記第２面は、前記第１面に沿って凸状である、請求項２記載の発電素子。

【請求項4】

前記第１状態において、前記複数の第２導電領域の前記１つと、前記複数の第２導電領域の前記別の１つと、は、前記第１面に沿う方向において重なる、請求項２または３に記載の発電素子。

【請求項5】

導電膜をさらに備え、
前記複数の第２導電領域は、前記第１導電領域と前記導電膜との間に設けられ、
前記導電膜は、前記複数の第２導電領域の少なくとも２つを電気的に接続する、請求項１～４のいずれか１つに記載の発電素子。

【請求項6】

前記導電膜の少なくとも一部は、前記複数の第２導電領域の前記１つと、前記複数の第２導電領域の前記別の１つとの間にある、請求項５記載の発電素子。

【請求項7】

前記導電膜は、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｇ及びＰｔ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５または６に記載の発電素子。

【請求項8】

前記導電膜は、前記第２結晶領域及び前記複数の構造体領域と接する、請求項５～７のいずれか１つに記載の発電素子。

【請求項9】

前記第１結晶領域及び前記第２結晶領域の少なくともいずれかは、Ａｌ_ｘ１Ｇａ_１－ｘ１Ｎ（０＜ｘ１≦１）、ダイヤモンド、及び、Ｇａ_２Ｏ_３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１～８のいずれか１つに記載の発電素子。

【請求項10】

前記第１導電層は、金属を含み、
前記第２導電層は、半導体を含む、請求項８または９に記載の発電素子。

【請求項11】

前記第１面から前記複数の第２導電領域の１つへの方向に沿う前記空隙の長さは、０．５μｍ以上５０μｍ以下である、請求項１～１０のいずれか１つに記載の発電素子。

【請求項12】

前記第１導電領域の温度が前記複数の第２導電領域の温度よりも高いときに、
前記第１導電領域から前記空隙を介して前記複数の第２導電領域に向けて電子が放出される、請求項１～１１のいずれか１つに記載の発電素子。

【請求項13】

前記複数の第２導電領域の１つは、導電部材の１つの部分であり、前記複数の第２導電領域の別の１つは、前記導電部材の別の１つの部分である、請求項１～１２のいずれか１つに記載の発電素子。

【請求項14】

第１導電層と、
第２導電層であって、前記第１導電層から前記第２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第１結晶領域であって、前記第１結晶領域は、複数の第１結晶層を含み、前記複数の第１結晶層は第１方向と交差する第２方向に沿って並ぶ、前記第１結晶領域と、
前記第１結晶領域と前記第２導電層との間に設けられ第２結晶領域であって、前記第２結晶領域は、複数の第２結晶層を含み、前記複数の第２結晶層は前記第２方向に沿って並び、前記複数の第１結晶層の１つの一部は、前記第１方向において前記複数の第２結晶層の１つの一部と重なり、前記複数の第１結晶層の別の１つの一部は、前記第１方向において前記複数の第２結晶層の別の１つの一部と重なり、前記第１結晶領域と前記第２結晶領域との間に空隙が設けられた、前記第２結晶領域と、
前記第１結晶領域と前記第２結晶領域との間に設けられた絶縁性の構造体領域と、
を備えた、発電素子。

【請求項15】

前記複数の第１結晶層の１つの他部は、前記第１方向において前記複数の第２結晶層の別の１つの一部と重なる、請求項１４記載の発電素子。

【請求項16】

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結晶領域から前記空隙を介して前記第２結晶領域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結晶領域から前記空隙を介して前記第１結晶領域に向けて電子が放出される、請求項１４または１５に記載の発電素子。

【請求項17】

第１導電層と、
第２導電層であって、前記第１導電層から前記第２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第１結晶領域と、
前記第１結晶領域と前記第２導電層との間に設けられ第２結晶領域であって、前記第１結晶領域と前記第２結晶領域との間に空隙が設けられた、前記第２結晶領域と、
前記第１結晶領域と前記第２結晶領域との間に設けられた絶縁性の複数の構造体領域と、
を備え、
前記第２導電層は、前記第１方向において前記複数の構造体領域と重なる重畳領域と、前記第１方向において前記複数の構造体領域と重ならない非重畳領域と、を含み、前記重畳領域の少なくとも一部の厚さは、前記非重畳領域の厚さよりも薄い、発電素子。

【請求項18】

前記第２導電層は、第１面及び第２面を含み、
前記第２面は、前記第１結晶領域と前記第１面との間にあり、
前記第１面は、前記重畳領域に設けられた凹部を含む、請求項１７記載の発電素子。

【請求項19】

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結晶領域から前記空隙を介して前記第２結晶領域に向けて電子が放出される、請求項１７または１８に記載の発電素子。

【請求項20】

前記第１方向に沿う前記空隙の長さは、０．５μｍ以上５０μｍ以下である、請求項１４～１９のいずれか１つに記載の発電素子。

【請求項21】

前記複数の構造体領域は、Ｓｉ、Ａｌ、Ｈｆ及びＺｒよりなる群から選択された少なくとも１つと、酸素及び窒素よりなる群から選択された少なくとも１つと、を含む請求項１～１３のいずれか１つに記載の発電素子。

【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、安定した特性が望まれる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特開２００５－１５８９１７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、安定した特性が得られる発電素子を提供する。

【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面を含む第１導電領域と、複数の第２導電領域と、絶縁性の複数の構造体領域と、を含む。前記複数の第２導電領域は、前記第１面に沿って並ぶ。前記複数の第２導電領域と前記第１面との間に空隙が設けられる。前記複数の構造体領域の１つは、前記複数の第２導電領域の１つと前記第１面との間に設けられる。前記複数の構造体領域の別の１つは、前記複数の第２導電領域の別の１つと前記第１面との間に設けられる。

【図面の簡単な説明】

【0006】

【図1】図１（ａ）～図１（ｃ）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）及び図３（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4】図４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5】図５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6】図６（ａ）及び図６（ｂ）は、第３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、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（ａ）及び図８（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9】図９（ａ）及び図９（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）～図１（ｃ）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（ａ）は、発電素子の１つの状態を例示する断面図である。図１（ｂ）は、発電素子の別の状態を例示する断面図である。図１（ｃ）は、斜視図である。

【0009】

図１（ａ）に示すように、実施形態に係る発電素子１１０は、第１導電領域１０Ｒと、複数の第２導電領域２０Ｒと、複数の構造体領域３１と、を含む。

【0010】

第１導電領域１０Ｒは、第１面１０ａを含む。第１面１０ａは、例えば上面である。

【0011】

複数の第２導電領域２０Ｒは、第１面１０ａに沿って並ぶ。複数の第２導電領域２０Ｒと第１面１０ａとの間に空隙３０Ｇが設けられる。

【0012】

複数の構造体領域３１は、絶縁性である。複数の構造体領域３１の１つは、複数の第２導電領域２０Ｒの１つと、第１面１０ａと、の間に設けられる。複数の構造体領域３１の別の１つは、複数の第２導電領域２０Ｒの別の１つと、第１面１０ａと、の間に設けられる。複数の構造体領域３１は、例えばスペーサである。複数の構造体領域３１は、例えば、第１導電領域１０Ｒと複数の第２導電領域２０Ｒとの間の距離（例えば、空隙３０Ｇの長さ）を規定する。

【0013】

第１面１０ａに対して垂直な方向を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。第１面１０ａは、実質的にＸ－Ｙ平面に沿っている。

【0014】

例えば、第１導電領域１０Ｒの温度が複数の第２導電領域２０Ｒの温度よりも高いときに、第１導電領域１０Ｒから、空隙３０Ｇを介して複数の第２導電領域２０Ｒに向けて電子が放出される。複数の第２導電領域２０Ｒに届いた電子は、電力として利用できる。電子は、例えば熱電子である。

【0015】

実施形態において、複数の第２導電領域２０Ｒの温度が第１導電領域１０Ｒの温度よりも高く設定されても良い。この場合、複数の第２導電領域２０Ｒから、空隙３０Ｇを介して第１導電領域１０Ｒに向けて電子が放出される。第１導電領域１０Ｒに届いた電子は、電力として利用できる。電子は、例えば熱電子である。以下に説明する例では、第１導電領域１０Ｒの温度が複数の第２導電領域２０Ｒの温度よりも高く設定される。

【0016】

実施形態において、複数の第２導電領域２０Ｒが設けられる。これにより、複数の第２導電領域２０Ｒのそれぞれと、第１導電領域１０Ｒと、の間の距離が均一になり易い。

【0017】

第１参考例において、第１導電領域１０Ｒと同じ程度の大きな面積を有する１つの第２導電領域２０Ｒが設けられる。第１参考例において、これらの領域の少なくとも一方が歪みを有する場合がある。これらの領域の少なくとも一方において、外力または熱による歪みが生じる場合がある。第１参考例においては、大きな面積の第１導電領域１０Ｒまたは第２導電領域２０Ｒに歪みなどが生じると、これらの領域の間の間隔を均一にすることは困難である。

【0018】

これに対して、実施形態においては、第１導電領域１０Ｒよりも面積が小さい複数の第２導電領域２０Ｒが設けられる。複数の第２導電領域２０Ｒの互いの相対的な位置は独立して変化できる。例えば、第１導電領域１０Ｒに歪みが生じた場合においても、複数の第２導電領域２０Ｒの互いの位置が変化して、第１導電領域１０Ｒと、複数の第２導電領域２０Ｒのそれぞれと、の間の間隔が均一にできる。実施形態においては、安定した特性が得易い。

【0019】

図１（ｂ）は、発電素子１１０の１つの状態（第１状態ＳＴ１）を例示している。第１状態ＳＴ１においては、第１導電領域１０Ｒが湾曲している。例えば、第１導電領域１０Ｒの温度が上昇して第１導電領域１０Ｒが膨張したときなどにこのような状態が生じる。

【0020】

図１（ｂ）に示すように、第１状態ＳＴ１において、第１面１０ａは、凹状である。このような第１状態ＳＴ１においても、複数の第２導電領域２０Ｒの位置は、第１面１０ａの湾曲に沿うように、変化できる。複数の第２導電領域２０Ｒのそれぞれと、第１導電領域１０Ｒと、の間の距離が均一にできる。

【0021】

図１（ｂ）に示すように、第１導電領域１０Ｒは、第２面１０ｂをさらに含んでも良い。第１面１０ａは、第２面１０ｂと、複数の第２導電領域２０Ｒと、の間にある。第１面１０ａは例えば上面であり、第２面１０ｂは下面である。図１（ｂ）に示すように、第１状態ＳＴ１において、第２面１０ｂは、第１面１０ａに沿っている。例えば、第１面１０ａが凹状であるとき、第２面１０ｂは凸状である。第１面１０ａが凹状であり第２面１０ｂが凸状であり場合でも、複数の第２導電領域２０Ｒのそれぞれと、第１導電領域１０Ｒと、の間の距離は均一にできる。実施形態によれば、安定した特性が得られる発電素子を提供できる。

【0022】

図１（ｂ）に示すように、第１状態ＳＴ１において、複数の第２導電領域２０Ｒの１つと、複数の第２導電領域２０Ｒの別の１つと、は、第１面１０ａに沿う方向（例えばＸ軸方向）において重なる。

【0023】

第２参考例において、複数の第２導電領域２０Ｒの間の隙間にスペーサが設けられる。第２参考例において、製造マージンを確保するために、スペーサと、複数の第２導電領域２０Ｒと、が互いに離される。この場合、スペーサと、複数の第２導電領域２０Ｒと、の間の領域が無駄になる。このため、効率を十分に向上することが困難である。

【0024】

これに対して、実施形態においては、複数の構造体領域３１は、第１導電領域１０Ｒと、複数の第２導電領域２０Ｒと、の間にある。無駄な領域が抑制される。実施形態においては、高い効率が得易い。

【0025】

図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、発電素子１１０は、導電膜３５をさらに含んでも良い。複数の第２導電領域２０Ｒは、第１導電領域１０Ｒと導電膜３５との間に設けられる。導電膜３５は、複数の第２導電領域２０Ｒの少なくとも２つを電気的に接続する。この例では、導電膜３５の少なくとも一部は、複数の第２導電領域２０Ｒの１つと、複数の第２導電領域２０Ｒの別の１つと、の間にある。

【0026】

導電膜３５は、例えば、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｇ及びＰｔよりなる群から選択された少なくとも１つを含む。このような材料の膜は変形し易い。例えば、複数の第２導電領域２０Ｒの変位に応じて、導電膜３５は変形できる。安定した電気的な接続が得られる。導電膜３５の厚さは、０．１μｍ以上１０μｍ以下である。適正な変形性が得られる。

【0027】

図１（ｃ）においては、図を見易くするために、導電膜３５が省略されている。この例では、複数の第２導電領域２０Ｒは、独立した島状である。複数の第２導電領域２０Ｒは、例えば、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に沿って並んでも良い。

【0028】

複数の第２導電領域２０Ｒは、島状でも良く、帯状でも良い。第２導電領域２０Ｒは、格子状でも良い。後述するように、複数の第２導電領域２０Ｒが連続しても良い。１つの連続した渦巻状の第２導電領域２０Ｒの異なる部分が、複数の第２導電領域２０Ｒとなっても良い。

【0029】

複数の構造体領域３１は、島状でも良く、帯状でも良い。構造体領域３１は、格子状でも良い。複数の構造体領域３１が連続しても良い。１つの連続した渦巻状の構造体領域３１の異なる部分が、複数の構造体領域３１となっても良い。

【0030】

図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、例えば、第１導電領域１０Ｒは、第１導電層１１と、第１結晶領域２１Ｒと、を含む。第１結晶領域２１Ｒは、第１導電層１１と、複数の第２導電領域２０Ｒと、との間に設けられる。例えば、複数の第２導電領域２０Ｒの１つは、第２導電層１２と、第２結晶領域２２Ｒと、を含む。第２結晶領域２２Ｒは、第２導電層１２と第１導電領域１０Ｒとの間に設けられる。

【0031】

第１結晶領域２１Ｒ及び第２結晶領域２２Ｒの少なくともいずれかは、Ａｌ_ｘ１Ｇａ_１－ｘ１Ｎ（０＜ｘ１≦１）、ダイヤモンド、及び、Ｇａ_２Ｏ_３よりなる群から選択された少なくとも１つを含む。Ａｌ_ｘ１Ｇａ_１－ｘ１Ｎにおいて、Ａｌの組成比ｘ１は、例えば０．３以上１以下である。例えば、第１結晶領域２１Ｒ及び第２結晶領域２２Ｒの少なくともいずれかは、ＡｌＧａＮを含む。効率良く電子が放出される。

【0032】

例えば、第１導電層１１及び第２導電層１２の少なくともいずれかは、半導体及び金属層の少なくともいずれかを含む。１つの例において、第１導電層１１は、金属を含み、第２導電層１２は、半導体及び金属層の少なくともいずれかを含む。例えば、第１導電層１１は、金属層である。第２導電層１２は、シリコン層などの半導体層である。

【0033】

実施形態において、第１面１０ａから複数の第２導電領域２０Ｒの１つへの方向（例えばＺ軸方向）に沿う空隙３０Ｇの長さＧ１は、０．５μｍ以上５０μｍ以下である。長さＧ１は、１μｍ以上１０μｍ以下であることがより好ましい。より高い効率が得易い。

【0034】

以下、実施形態に係る発電素子のいくつかの例について説明する。

【0035】

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（ａ）に示すように、実施形態に係る発電素子１１１においては、複数の構造体領域３１の１つにおいて、Ｘ軸方向の幅がＺ軸方向に沿って変化する。例えば、複数の構造体領域３１の１つは、第１部分３１ｐと、第２部分３１ｑと、を含む。第２部分３１ｑは、第１部分３１ｐと、複数の第２導電領域２０Ｒの１つと、の間にある。第１部分３１ｐのＸ軸方向に沿う長さは、第２部分３１ｑのＸ軸方向に沿う長さとは異なる。Ｘ軸方向は、第１面１０ａに沿う１つの方向である。この例では、第１部分３１ｐのＸ軸方向に沿う長さは、第２部分３１ｑのＸ軸方向に沿う長さよりも短い。例えば、複数の構造体領域３１を介しての熱伝導が抑制される。より高い効率が得易い。

【0036】

図２（ｂ）に示すように、発電素子１１１の第１状態ＳＴ１において、第１面１０ａは、凹状でも良い。

【0037】

図３（ａ）及び図３（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（ａ）に示すように、実施形態に係る発電素子１１２において、構造体領域３１は、複数の第２導電領域２０Ｒのそれぞれに設けられても良い。図３（ｂ）に示すように、発電素子１１２の第１状態ＳＴ１において、第１面１０ａは、凹状でも良い。

【0038】

図４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に示すように、実施形態に係る発電素子１１３において、１つの渦巻状の導電部材２０Ｍの異なる部分が、複数の第２導電領域２０Ｒとなっても良い。例えば、複数の第２導電領域２０Ｒの１つは、導電部材２０Ｍの１つの部分であり、複数の第２導電領域２０Ｒの別の１つは、上記の導電部材２０Ｍの別の１つの部分でも良い。この例では、複数の構造体領域３１が設けられる。複数の構造体領域３１の１つは、複数の第２導電領域２０Ｒの１つと第１面１０ａとの間に設けられる。複数の構造体領域３１の別の１つは、複数の第２導電領域２０Ｒの別の１つと、第１面１０ａとの間に設けられる。

【0039】

発電素子１１１～１１３においても、第１導電領域１０Ｒと、複数の第２導電領域２０Ｒと、の間の距離を均一にし易い。安定した特性が得られる発電素子が提供できる。

【0040】

（第２実施形態）
図５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５に示すように、実施形態に係る発電素子１１５は、第１導電層１１、第２導電層１２、第１結晶領域２１Ｒ、第２結晶領域２２Ｒ、及び、構造体領域３１を含む。第１導電層１１から第２導電層１２への方向は、第１方向に沿う。第１方向をＺ軸方向とする。

【0041】

第１結晶領域２１Ｒは、第１導電層１１と第２導電層１２との間に設けられる。第１結晶領域２１Ｒは、複数の第１結晶層２１を含む。複数の第１結晶層２１は、第１方向と交差する第２方向に沿って並ぶ。第２方向は、例えば、Ｘ軸方向である。

【0042】

第２結晶領域２２Ｒは、第１結晶領域２１Ｒと第２導電層１２との間に設けられる。第２結晶領域２２Ｒは、複数の第２結晶層２２を含む。複数の第２結晶層２２は第２方向（例えば、Ｘ軸方向）に沿って並ぶ。複数の第１結晶層２１の１つの一部は、第１方向（Ｚ軸方向）において、複数の第２結晶層２２の１つの一部と重なる。複数の第１結晶層２１の別の１つの一部は、第１方向（Ｚ軸方向）において、複数の第２結晶層２２の別の１つの一部と重なる。

【0043】

第１結晶領域２１Ｒと第２結晶領域２２Ｒとの間に空隙３０Ｇが設けられる。構造体領域３１は、第１結晶領域２１Ｒと第２結晶領域２２Ｒとの間に設けられる。構造体領域３１は、絶縁性である。

【0044】

図５に示すように、例えば、複数の第１結晶層２１の１つの他部は、第１方向（Ｚ軸方向）において、複数の第２結晶層２２の別の１つの一部と重なる。

【0045】

発電素子１１５において、複数の第１結晶層２１の互いの位置の変化が、容易である。複数の第２結晶層２２の互いの位置の変化が、容易である。例えば、第１導電層１１の温度が、第２導電層１２の温度と異なる場合、これらの導電層の熱膨張により、これらの導電層が変形する。例えば、第１導電層１１及び第２導電層１２のいずれかが凹状または凸状に変形する。このような場合においても、複数の第１結晶層２１の互いの位置、または、複数の第２結晶層２２の互いの位置が変化し易い。これにより、第１結晶層２１と第２結晶層２２との間の距離（空隙３０Ｇの長さＧ１）が安定して均一になり易い。安定した特性が得られる発電素子を提供できる。

【0046】

発電素子１１５において、例えば、空隙３０Ｇの長さＧ１（図１（ａ）参照）は、０．５μｍ以上５０μｍ以下である。長さＧ１は、１μｍ以上１０μｍ以下であることがより好ましい。より高い効率が得易い。

【0047】

発電素子１１５において、第１導電層１１の温度が第２導電層１２の温度よりも高いときに、第１結晶領域２１Ｒから、空隙３０Ｇを介して第２結晶領域２２Ｒに向けて電子が放出される。第２導電層１２の温度が第１導電層１１の温度よりも高いときに、第２結晶領域２２Ｒから、空隙３０Ｇを介して第１結晶領域２１Ｒに向けて電子が放出される。電子は、例えば、熱電子である。

【0048】

発電素子１１５において、上記以外の構成は、発電素子１１０～１１３に関して説明した構成が適用できる。

【0049】

（第３実施形態）
図６（ａ）及び図６（ｂ）は、第３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、実施形態に係る発電素子１１６は、第１導電層１１、第２導電層１２、第１結晶領域２１Ｒ、第２結晶領域２２Ｒ、及び、構造体領域３１を含む。

【0050】

第１導電層１１から第２導電層１２への方向は第１方向（例えばＺ軸方向）に沿う。第１結晶領域２１Ｒは、第１導電層１１と第２導電層１２との間に設けられる。第２結晶領域２２Ｒは、第１結晶領域２１Ｒと第２導電層１２との間に設けられる。第１結晶領域２１Ｒと第２結晶領域２２Ｒとの間に空隙３０Ｇが設けられる。構造体領域３１は、第１結晶領域２１Ｒと第２結晶領域２２Ｒとの間に設けられる。構造体領域３１は、絶縁性である。構造体領域３１の複数の領域が、複数の構造体領域３１となっても良い。

【0051】

図６（ａ）に示すように、第２導電層１２は、重畳領域１２ｏ及び非重畳領域１２ｎを含む。重畳領域１２ｏは、第１方向（Ｚ軸方向）において、複数の構造体領域３１と重なる。非重畳領域１２ｎは、第１方向において複数の構造体領域３１と重ならない。重畳領域１２ｏの少なくとも一部の厚さｔ１は、非重畳領域１２ｎの厚さｔ２よりも薄い。

【0052】

発電素子１１６においては、重畳領域１２ｏにおいて、第２導電層１２は曲がり易い。例えば、熱膨張などの影響により第１導電層１１に歪みが生じた場合においても、第１結晶領域２１Ｒと第２結晶領域２２Ｒとの間の距離が安定して均一になり易い。安定した特性が得られる発電素子を提供できる。

【0053】

図６（ａ）に示すように、第２導電層１２は、第１面１２ａ及び第２面１２ｂを含む。第２面１２ｂは、第１結晶領域２１Ｒと第１面１２ａとの間にある。第１面１２ａは、重畳領域１２ｏに設けられた凹部１２ｄを含む。凹部１２ｄが設けられることで、第２導電層１２は、変形し易くなる。

【0054】

図６（ｂ）に示すように、実施形態に係る発電素子１１７においても、重畳領域１２ｏの少なくとも一部の厚さｔ１は、非重畳領域１２ｎの厚さｔ２よりも薄い。例えば、第１面１２ａは、重畳領域１２ｏに設けられた凹部１２ｄを含む。発電素子１１７においては、第１結晶領域２１Ｒは、複数の第１結晶層２１を含む。複数の第１結晶層２１は、Ｚ軸方向と交差する方向に沿って並ぶ。第２結晶領域２２Ｒは、複数の第２結晶層２２を含む。複数の第２結晶層２２は、Ｚ軸方向と交差する方向に沿って並ぶ。

【0055】

発電素子１１５及び１１６において、例えば、第１導電層１１の温度が第２導電層１２の温度よりも高いときに、第１結晶領域２１Ｒから、空隙３０Ｇを介して第２結晶領域２２Ｒに向けて電子が放出される。例えば、第２導電層１２の温度が第１導電層１１の温度よりも高いときに、第２結晶領域２２Ｒから、空隙３０Ｇを介して第１結晶領域２１Ｒに向けて電子が放出される。

【0056】

発電素子１１６及び１１７において、上記以外の構成は、発電素子１１０～１１３に関して説明した構成が適用できる。

【0057】

第１～第３実施形態において、複数の構造体領域３１は、例えば、Ｓｉ、Ａｌ、Ｈｆ及びＺｒよりなる群から選択された少なくとも１つと、酸素及び窒素よりなる群から選択された少なくとも１つと、を含む。複数の構造体領域３１は、例えば、酸化シリコンなどを含んで良い。

【0058】

図７は、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、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１１、第２導電層１２、第１結晶領域２１Ｒ、第２結晶領域２２Ｒ、及び、構造体領域３１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３０Ｇは、減圧状態である。１つの結晶領域から放出された電子が効率的に他の結晶領域に届く。

【0059】

以下、発電素子の応用の例について説明する。

【0060】

図８（ａ）及び図８（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８（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、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。

【0061】

図８（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。

【0062】

図９（ａ）及び図９（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９（ａ）及び図９（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。

【0063】

図９（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。

【0064】

図９（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。

【0065】

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。

【0066】

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。

【0067】

実施形態によれば、安定した特性が得られる発電素子を提供することができる。

【0068】

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。

【0069】

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、導電層及び結晶領域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。

【0070】

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。

【0071】

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

【0072】

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。

【0073】

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】

【0074】

１０Ｒ…第１導電領域、 １０ａ、１０ｂ…第１、第２面、 １１、１２…第１、第２導電層、 １２ａ、１２ｂ…第１、第２面、 １２ｄ…凹部、 １２ｎ…非重畳領域、 １２ｏ…重畳領域、 ２０Ｍ…導電部材、 ２０Ｒ…第２導電領域、 ２１…第１結晶層、 ２１Ｒ…第１結晶領域、 ２２…第２結晶層、 ２２Ｒ…結晶領域、 ３０Ｇ…空隙、 ３１…構造体領域、 ３１ｐ、３１ｑ…第１、第２部分、 ３５…導電膜、 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、 １１０～１１７…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、 Ｇ１…長さ、 ＳＴ１…第１状態、 ｔ１、ｔ２…厚さ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】