(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
太陽エネルギ及び力学的エネルギを電気エネルギに変換する圧電−光起電力構造体であって、
光起電力層と、圧電性ポリマからなる圧電基材とを含む、複数の重ね合わされた層を備えており、
前記圧電基材は、上部電極及び下部電極の間に挟まれており、
前記光起電力層は、アノード層及びカソード層の間に挟まれており、
絶縁層が、前記圧電基材並びに前記上部電極及び前記下部電極を、前記光起電力層、前記カソード層及び前記アノード層から分離しており、
前記絶縁層は、前記上部電極上に積層されており、
前記カソード層は、前記絶縁層上にフィルム状に形成されていることを特徴とする圧電−光起電力構造体。
【請求項２】
挿入されたリチウムフッ化物の層によって、前記カソード層と前記光起電力層とが分離されている請求項１に記載の圧電−光起電力構造体。
【請求項３】
前記光起電力層が、透明な電子遮断（正孔抽出）ポリマの外側副層の電子遮断ポリマ層並びに電子ドナー及び電子アクセプタ（ドナー・アクセプタ）ポリマの内側副層の電子ドナー・アクセプタポリマ層を備えている請求項１または２に記載の圧電−光起電力構造体。
【請求項４】
同心的に重ね合わされた前記複数の層を備えた、細長い実質的に円柱状の本体部を備えている請求項１乃至３のいずれか１項に記載の圧電−光起電力構造体。
【請求項５】
前記絶縁層が、実質的に前記圧電基材を囲むように、前記上部電極及び前記下部電極の両方に積層されている請求項４に記載の圧電−光起電力構造体。
【請求項６】
前記複数の層が、実質的に平行に重ね合わされた平らな本体部を備えている請求項１乃至３のいずれか１項に記載の圧電−光起電力構造体。
【請求項７】
前記圧電基材が、分散圧電セラミック粒子を含む請求項１乃至６のいずれか１項に記載の圧電−光起電力構造体。
【請求項８】
圧電性ポリマからなる圧電基材を準備するステップと、
前記圧電基材の上に光起電力層を重ね合わせるステップとを含む圧電−光起電力構造体の形成方法であって、
前記光起電力層を重ね合わせるステップの前に、前記圧電基材上に上部電極及び下部電極を形成するステップと、前記上部電極上に絶縁層を積層するステップとを含み、
前記絶縁層を積層するステップは、前記絶縁層上にフィルム状にカソード層を形成することを含む圧電−光起電力構造体の形成方法。
【請求項９】
前記絶縁層上に前記カソード層を形成するステップは、熱蒸着によって前記絶縁層に金属層を形成することからなる請求項８に記載の圧電−光起電力構造体の形成方法。
【請求項１０】
前記絶縁層は、実質的に前記圧電基材を囲むように、前記上部電極及び前記下部電極の両方に積層されている請求項８または９に記載の圧電−光起電力構造体の形成方法。
【請求項１１】
前記光起電力層を重ね合わせるステップが、
前記カソード層上に電子ドナー及び電子アクセプタポリマを含む電子ドナー・アクセプタポリマ層をオーバーレイするステップと、
前記電子ドナー・アクセプタポリマ層上に透明な電子遮断（正孔抽出）ポリマ層を形成するステップと、
前記透明な電子遮断ポリマ層上にアノード層を形成するステップとを含む請求項８乃至１０のいずれか１項に記載の圧電−光起電力構造体の形成方法。
【請求項１２】
前記カソード層上に前記電子ドナー・アクセプタポリマ層を形成するステップの前に、前記カソード層上にリチウムフッ化物の層を形成するステップを含む請求項１１に記載の圧電−光起電力構造体の形成方法。
【請求項１３】
前記圧電基材を準備するステップは、前記圧電基材を押出プロセスにより形成することを含む請求項８乃至１２のいずれか１項に記載の圧電−光起電力構造体の形成方法。
【請求項１４】
太陽エネルギ及び力学的エネルギを電気エネルギに変換するパワー変換システムであって、
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の圧電−光起電力構造体と、
前記圧電基材の上部電極及び下部電極に接続された第１の回路と、
前記光起電力層のアノード及びカソードに接続された第２の回路とを備えていることを特徴とするパワー変換システム。
【請求項１５】
力学的エネルギまたは太陽エネルギを電気エネルギに変換するために、請求項１４に記載のパワー変換システムを用いるステップと、
前記第１及び第２の回路の一方または両方を、配電回路、配電ネットワーク、電気負荷、または、エネルギ貯蔵デバイスに接続するステップとを含む電気エネルギを発生、貯蔵、配給または消費する方法。
【請求項１６】
太陽エネルギ及び力学的エネルギを電気エネルギに変換するパワー変換システムであって、
光起電力素子及び圧電素子を有する請求項１乃至７のいずれか１項に記載の圧電−光起電力構造体と、
前記圧電基材に接続された第１の回路と、
前記光起電力層に接続された第２の回路とを備え、
前記第１及び第２の回路の一方または両方が、ＤＣ−ＤＣコンバータに接続されていることを特徴とするパワー変換システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電性（piezoelectric）及び光起電性（photoelectric）ハイブリッド材料並びに構造体、並びに、該材料及び構造体のためのパワー変換システム並びに電気回路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
再生可能なエネルギ源（renewable sources）から効率的にエネルギを得ることについての高まるプレッシャーと相まって、可撓性を有する圧電性及び光起電性ハイブリッド材料の有効性は、圧電技術と光起電力技術の両方を利用するものである。同時に、及び／または同じロケーションで、魅力的な可能性が増加している。両方の技術を備えたハイブリッド構造体は、太陽エネルギ（solar energy）源及び雨、風、波または潮汐の力学的エネルギ（mechanical energy）源の両方からエネルギを収穫する（harvest）ように配置される。可撓性を有する圧電性ポリマは、力学的エネルギを収穫するために利用してもよく、また同時に、有機光起電力セルの基材材料（substrate material）の役割を果たすようにしてもよい。
【０００３】
国際公開公報２００９／０７０７０６には、人工芝で太陽エネルギを発生させるため、可撓性を有する有機太陽電池を使用することが開示されている。このようなシステムは、太陽光を利用できるか否かによって制限を受け、一日のうちの一定時間に使用が制限されてしまう。上記特許文献に記載された構造体では、力学的エネルギを利用することができない。
【０００４】
米国特許公報７７０５５２３Ｂ２には、太陽エネルギ及び力学的エネルギの両方を電気エネルギに変換する色素増感太陽電池（dye-sensitised solar cells）及び酸化亜鉛（ＺｎＯ）圧電性ナノロッド（zinc oxide piezoelectric nano-rods）を用いたハイブリッド・デバイスが開示されている。このハイブリッド構造体は、フィルムやシートではなく、ファイバ（fibres）の形態でのみ開発が可能である。一定のアプリケーションでは、例えば、水または風による力学的エネルギが電気に変換されるエネルギ・ハーベスティングでは、フィルムやシートの形態が望ましい場合がある。米国特許公報７７０５５２３Ｂ２に開示されているハイブリッド構造体は、他のタイプの安価な太陽電池、例えば、有機太陽電池またはアモルファス・シリコン太陽電池に変更して対応させることができない。また、このハイブリッド構造体は、放射状に広がるナノロッド（radiating nano-rods）を有する細管（tubules）を含む、主に階層的な構造が非常に複雑である。より単純な製造方法を可能にするため、並びに、圧電と光起電力のハイブリッド技術を、異なるスケール、及び、ファイバだけでなくフィルムやシートの形態等の異なる構造体形態において使用する両方のために、単純な構造が望ましい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開公報２００９／０７０７０６
【特許文献２】米国特許公報７７０５５２３Ｂ２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の各実施の形態の目的は、太陽及び力学的なエネルギ源の両方から収集された電気エネルギを貯蔵、消費及び／または発生させる、改良された方法を提供することである。本発明の各実施の形態の他の目的は、そのような方法において使用する、太陽エネルギ及び力学的エネルギの両方を収穫する、改良されたパワー発生システムを提供することである。本発明の各実施の形態の更に他の目的は、そのようなシステムにおいて使用する、圧電性及び光起電力性の特徴を有するハイブリッド構造体を提供することである。本発明の各実施の形態の更に他の目的は、そのような構造体の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の第１の考慮されるべき特徴によれば、太陽エネルギ及び力学的エネルギを電気エネルギに変換する圧電−光起電力構造体であって、光起電力層及び圧電基材を含む、複数の重ね合わされた層（superposed layer）を備えていることを特徴とする圧電−光起電力構造体が提供される。
【０００８】
このようなハイブリッド構造体は、多数のエネルギ源からエネルギを得ることができる単一のエネルギ・キャプチャ・システムを通して、複数の再生可能なエネルギ源からエネルギを収穫するように機能する。このことにより、より効率的にエネルギを収集することができる、または、比較可能な単一のエネルギ源からエネルギを得るエネルギ・キャプチャ・システムよりも、費用効率がよい、丈夫な、軽量な、展開可能なエネルギ・キャプチャ・システムを得ることができる。
【０００９】
圧電基材は、上部電極（top electrode）及び下部電極（bottom electrode）の間に直接挟まれていると有利である。
【００１０】
光起電力層は、外側のアノード層（anode layer）及び内側のカソード層（cathode layer）の間に挟まれていることが望ましい。絶縁層（insulating layer）が、圧電基材並びに上部電極及び下部電極を、光起電力層、カソード層及びアノード層から分離してもよい。光起電力層が、さらに、透明な電子遮断（正孔抽出）ポリマ（transparent electron blocker (hole extractor) polymer）の外側副層の電子遮断ポリマ層並びに電子ドナー及び電子アクセプタ（ドナー・アクセプタ）ポリマ（electron donor and electron acceptor (donor-acceptor) polymers）の内側副層の電子ドナー・アクセプタポリマ層を備えると有利である。
【００１１】
電子遮断ポリマ層は、ポリ（３，４−エチレンジオキシ−チオフェン）とポリスチレンスルホン酸（ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ）を含んでいてもよく、または、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）を含んでいてもよい。
【００１２】
電子ドナー・アクセプタポリマ層は、ポリ（３−ヘキシルチオフェン）（poly(3-hexylthiophene)）と［６，６］−フェニル−Ｃ６１−酪酸メチルエステル（[6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester）（Ｐ３ＨＴ＋ＰＣＢＭ）を含んでいてもよく、または、ポリ（Ｐ−フェニレンビニレン）（poly(p-phenylenevinylene)）とポリ（２−メトキシ−５−プロピルオキシ−スルホン酸−１，４−フェニレン−ビニレン）（poly(2-methoxy-5-propyloxy-sulfonate-1,4-phenylene-vinylene)）（ＰＰＶ＋ＭＰＳ−ＰＰＶ）を含んでいてもよく、または、ポリ［２−メトキシ−５−（２´−エチル−ヘキシルオキシ）−１，４−フェニレンビニレン］（poly[2-methoxy-5-(2'-ethyl-hexyloxy)-1,4-phenylenevinylene]）と［６，６］−フェニル−Ｃ６１−酪酸メチルエステル（ＭＥＨ−ＰＰＶ＋ＰＣＢＭ）を含んでいてもよく、または、ポリ［２−メトキシ−５−（３´，７´−ジメチルオクチルオキシル）］−１，４−フェニレンビニレン（poly[2-methoxy-5-(3',7'-dimethyloctyloxyl)]-l,4-phenylenevinylene）と［６，６］−フェニル−Ｃ６１−酪酸メチルエステル（ＭＤＭＯ−ＰＰＶ＋ＰＣＢＭ）を含んでいてもよく、または、ポリ（Ｐ−フェニレンビニレン）とフラーレン（fullerene）（ＰＰＶ＋Ｃ６０）を含んでいてもよく、または、ポリ（３−オクチルチオフェン）（poly(3-octylthiophene)）と［６，６］−フェニル−Ｃ６１−酪酸メチルエステル（Ｐ３ＯＴ＋ＰＣＢＭ）を含んでいてもよく、または、［６，６］−フェニル−Ｃ６１−酪酸メチルエステルとポリ［２，６−（４，４−ビス−（２−エチルヘキシル−４Ｈ−シクロペンタ［２，１−ｂ；３，４−ｂ´］ジチオフェン）−オルト−４，７−（２，１，３−ベンゾチアジアゾール）］（poly[2,6-(4,4-bis-(2-ethylhexyl)-4H-cyclopenta[2,l-b;3,4-b']dithiophene)-alt-4,7-(2,l,3-benzothiadiazole)]）（ＰＣＢＭ＋ＰＣＤＴＢＴ）を含んでいてもよく、または、ポリ［Ｎ−ドデシル−２，５−ビス（２´−チエニル）ピロール−（２，１，３−ベンゾチアジアゾール）（poly[N-dodecyl-2,5-bis(2'-thienyl)pyrrole-(2,l,3-benzothiadiazole)]）と［６，６］−フェニル−Ｃ６１−酪酸メチルエステル（ＰＴＰＴＢ＋ＰＣＢＭ）を含んでいてもよい。
【００１３】
電子ドナー・アクセプタポリマ層は、分散カーボンナノチューブ（dispersed carbon nanotubes）を含んでいてもよい。アノード層及びカソード層が金属製であり、アノード層が、カソード層よりも高い仕事関数（work function）を有することが望ましい。アノード層の材料が、光起電力層の一部のみを覆うように分布していると有利である。アノード層の材料が、格子状（lattice）または櫛状（comb）構造の形態で光起電力層上に分布していることが望ましい。アノード層は、銅製であると有利である。カソード層は、アルミニウムであることが望ましい。
【００１４】
本発明の１つの好ましい実施の形態では、圧電−光起電力構造体が、同心的に重ね合わされた前述の複数の層を備えた、細長い実質的に円柱状の本体部を備えている。細長い実質的に円柱状の本体部は、ファイバであってもよい。圧電−光起電力構造体は、織る、編むその他の方法でアレンジされて織物状またはコード状にされている、前述の複数のファイバを備えていてもよい。
【００１５】
他の実施の形態では、複数の層が、実質的に平行に重ね合わされた平らな本体部を備えていてもよい。平らな本体部は、シートまたはフィルムであってもよい。
【００１６】
上部電極及び下部電極は、金属製であることが望ましい。上部電極及び下部電極がアルミニウムであると都合がよい。
【００１７】
カソード層と光起電力層とが、挿入されたリチウムフッ化物（lithium fluoride）の層によって分離されていると有利である。
【００１８】
圧電部材は、ポリマを含んでいてもよい。圧電基材は、ポリフッ化ビニリデン（poly(vinylidene fluoride)）（ＰＶＤＦ）、ポリプロピレン（polypropylene）、またはナイロン（nylon）を含んでいることが望ましい。圧電基材は、分散圧電セラミック粒子（dispersed piezoelectric ceramic particles）を含んでいてもよい。
【００１９】
光起電力層は、色素増感太陽電池を備えていてもよい。
【００２０】
本発明の第２の考慮されるべき特徴によれば、圧電基材を準備するステップと、圧電基材の上に光起電力層を重ね合わせるステップとを含む圧電−光起電力構造体の形成方法が提供される。
【００２１】
光起電力層を重ね合わせるステップの前に、圧電基材上に上部電極及び下部電極を形成する（depositing）ステップを含むと有利である。光起電力層を重ね合わせるステップの前に、圧電基材上に絶縁層を重ね合わせるステップを含んでいてもよい。光起電力層を重ね合わせるステップが、カソード層をオーバーレイするステップと、カソード層上に電子ドナー及び電子アクセプタポリマを含む電子ドナー・アクセプタポリマ層をオーバーレイするステップと、電子ドナー・アクセプタポリマ層上に透明な電子遮断（正孔抽出）ポリマ層を形成するステップと、透明な電子遮断ポリマ層上にアノード層を形成するステップとを含んでいてもよい。カソード層上に電子ドナー・アクセプタポリマ層を形成するステップの前に、カソード層上にリチウムフッ化物の層を形成するステップを含むと有利である。
【００２２】
上部電極及び下部電極は、金属製であり、且つ、熱蒸着（thermal evaporation）によって圧電基材上に形成されていることが望ましい。カソード層は、金属製であり、且つ、熱蒸着によって形成されていると有利である。アノード層は、金属製であり、透明な電子遮断（正孔抽出）ポリマ層上に熱蒸着によって形成されていると都合がよい。
【００２３】
圧電基材を準備するステップは、圧電基材を押出プロセス（extrusion process）により形成することを含むことが望ましい。圧電基材は、ポリマ顆粒（polymer granules）を含む供給材料を押出加工して形成されていてもよい。圧電基材は、ポリマ・マトリックス（polymer matrix）に分散した圧電セラミック粒子を含む顆粒合成物（composite granules）を含む供給材料を押出加工して形成されていてもよい。
【００２４】
回転塗布（spin-coating）または浸漬塗布（dip-coating）の方法を用いて、ポリマ溶液のコーティングを形成することで、電子ドナー・アクセプタポリマ層を形成すれば有利である。代わりに、鋳造（casting）、スクリーン印刷（screen printing）、ドクターブレード（doctor blading）、またはインクジェット印刷（inkjet printing）の方法を用いてポリマ溶液のコーティングを形成することで、電子ドナー・アクセプタポリマ層を形成することもできる。
【００２５】
電子ドナー・アクセプタポリマ層を形成するのに使用するポリマ溶液は、ポリ（３−ヘキシルチオフェン）（Ｐ３ＨＴ）と［６，６］−フェニル−Ｃ６１−酪酸メチルエステル（ＰＣＢＭ）、または、ポリ（Ｐ−フェニレンビニレン）（ＰＰＶ）とポリ（２−メトキシ−５−プロピルオキシ−スルホン酸−１，４−フェニレン−ビニレン）（ＭＰＳ−ＰＰＶ）、または、ポリ［２−メトキシ−５−（２´−エチル−ヘキシルオキシ）−１，４−フェニレンビニレン］（ＭＥＨ−ＰＰＶ）とＰＣＢＭ、または、ポリ［２−メトキシ−５−（３´，７´−ジメチルオクチルオキシル）］−１，４−フェニレンビニレン（ＭＤＭＯ−ＰＰＶ）とＰＣＢＭ、または、ＰＰＶとフラーレン（Ｃ６０）、または、ポリ（３−オクチルチオフェン）（Ｐ３ＯＴ）とＰＣＢＭ、または、ＰＣＢＭとポリ［２，６−（４，４−ビス−（２−エチルヘキシル−４Ｈ−シクロペンタ［２，１−ｂ；３，４−ｂ´］ジチオフェン）−オルト−４，７−（２，１，３−ベンゾチアジアゾール）］（ＰＣＤＴＢＴ）、または、ポリ［Ｎ−ドデシル−２，５−ビス（２´−チエニル）ピロール−（２，１，３−ベンゾチアジアゾール）（ＰＴＰＴＢ）とＰＣＢＭ、の混合物を含んでいてもよい。混合物は、クロロベンゼン、１，２−ジクロロベンゼン、または、クロロホルムに溶解している。
【００２６】
電子ドナー・アクセプタポリマ層を形成するのに使用するポリマ溶液は、Ｐ３ＨＴとＰＣＢＭが重量比１：１の割合で混合された混合物を含んでいると有利である。電子ドナー・アクセプタポリマ層を形成するのに使用するポリマ溶液は、分散カーボンナノチューブを含んでいてもよい。圧電−光起電力構造体の形成方法は、電子ドナー・アクセプタポリマ層をアニーリングする（annealing）ステップを含んでいることが望ましい。
【００２７】
回転塗布または浸漬塗布の方法を用いてポリマ溶液のコーティングを形成することで、電子遮断（正孔抽出）ポリマ層が形成されていると都合がよい。ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳまたはＰＴＦＥ溶液を含むコーティングを形成することで、電子遮断ポリマ層が形成されていると有利である。圧電−光起電力構造体の形成方法は、電子遮断層をアニーリングするステップを含んでいることが望ましい。
【００２８】
本発明の第３の考慮されるべき特徴によれば、太陽エネルギ及び力学的エネルギを電気エネルギに変換するパワー変換システム（power conversion system）であって、光起電力層及び圧電基材を含む複数の重ね合わされた層を有する圧電−光起電力構造体と、圧電基材の上部電極及び下部電極に接続された第１の回路と、光起電力層のアノード及びカソードに接続された第２の回路とを備えていることを特徴とするパワー変換システムが提供される。
【００２９】
第１の回路は、整流器（rectifier）を含むと有利である。第２の回路は、充電制御部を含むと都合がよい。第１及び第２の回路の一方または両方が、エネルギ貯蔵デバイス（energy storage device）の端子に接続されていてもよい。エネルギ貯蔵デバイスが、バッテリであると都合がよい。
【００３０】
本発明の第４の考慮されるべき特徴によれば、力学的エネルギまたは太陽エネルギを電気エネルギに変換するために、前述のパワー変換システムを用いるステップと、第１及び第２の回路の一方または両方を、配電回路（electricity distribution circuit）、配電ネットワーク（electricity distribution network）、電気負荷（electrical load）、または、エネルギ貯蔵デバイスに接続するステップとを含む電気エネルギを発生、貯蔵、配給または消費する方法が提供される。
【００３１】
本発明の第５の考慮されるべき特徴によれば、力学的エネルギまたは太陽エネルギを電気エネルギに変換するために、前述のパワー変換システムを用いるステップと、第１及び第２の回路の一方または両方を、配電回路、配電ネットワーク、電気負荷、または、エネルギ貯蔵デバイスに接続するステップとを含む電気エネルギを発生、貯蔵、配給または消費する方法が提供される。
【００３２】
本発明の第６の考慮されるべき特徴によれば、太陽エネルギ及び力学的エネルギを電気エネルギに変換するパワー変換システムであって、光起電力素子及び圧電素子を有する圧電−光起電力構造体と、圧電基材に接続された第１の回路と、光起電力層に接続された第２の回路とを備え、第１及び第２の回路の一方または両方が、ＤＣ−ＤＣコンバータに接続されていることを特徴とするパワー変換システムが提供される。
【００３３】
圧電素子は、圧電基材であってもよく、第１の回路が圧電基材の上部電極及び下部電極に接続されている。光起電力素子は、光起電力層であってもよく、第２の回路が光起電力層のアノード及びカソードに接続されている。圧電−光起電力構造体は、第１の考慮されるべき特徴に基づく圧電−光起電力構造体であってもよい。
【００３４】
第１の回路は、整流器を含んでもよく、整流器は、ブリッジ形整流器（bridge rectifier）であってもよい。ブリッジ形整流器は、低損失ブリッジ形全波整流器（low drop full wave bridge rectifier）であると都合がよい。整流器は、集積チップ（integrated chip）であってもよく、または、集積チップの一部であってもよい。第１の回路は、貯蔵用キャパシタ（storage capacitor）と並列に、ＤＣ−ＤＣコンバータと接続されていてもよい。ＤＣ−ＤＣコンバータは、降圧コンバータ（step-down converter）であってもよい。ＤＣ−ＤＣコンバータは、集積チップであってもよく、または、集積チップの一部であってもよい。ＤＣ−ＤＣコンバータ及び整流器が、単一の集積チップを構成してもよい。単一の集積チップは、リニアテクノロジ社（カリフォルニア州、ミルピタス）（Linear Technology Corporation (Milpitas, California)）によって供給されているＬＴＣ３５８８集積チップまたはこれと同等のものであれば都合がよい。第１の回路は、複数の圧電素子及び複数の整流器を備えていてもよく、１以上の圧電素子は、それぞれの整流器に接続されており、複数の整流器は、相互に並列接続されている。
【００３５】
第２の回路は、電圧レギュレータ（voltage regulator）を含んでいてもよく、電圧レギュレータは、光起電力素子と直列接続されたダイオードであってもよい。ダイオードは、ショットキー・ダイオード（Shottky diode）であると都合がよい。第２の回路は、直列接続された複数の光起電力素子を備えていてもよい。第２の回路は、貯蔵用キャパシタと並列に、ＤＣ−ＤＣコンバータと接続されていてもよい。代わりに、第２の回路は、第２の貯蔵用キャパシタと並列に、第２のＤＣ−ＤＣコンバータと接続されていてもよく、２つのコンバータは出力端子が接続されている。
【００３６】
１つのＤＣ−ＤＣコンバータ、または、少なくとも１つのＤＣ−ＤＣコンバータは、出力を平滑する平滑回路（smoothing circuit）に接続されていてもよい。１つの平滑回路、または、少なくとも１つの平滑回路は、平滑キャパシタ（reservoir capacitor）及びインダクタンス（inductance）を備えていてもよい。バイパスダイオード（bypass diode）が、１つのＤＣ−ＤＣコンバータ、若しくは、それぞれのＤＣ−ＤＣコンバータの一対の出力端子を接続する、または、１つの平滑回路、若しくは、それぞれの平滑回路の一対の出力端子を接続すると都合がよい。１つのバイパスダイオード、または、それぞれのバイパスダイオードは、ショットキー・ダイオードであってもよい。
【００３７】
本発明の第７の考慮されるべき特徴によれば、それぞれの出力端子で直列接続された、第６の考慮されるべき特徴によるパワー変換システムのセットを備えたパワー変換アレイ（power conversion array）が提供される。
【００３８】
直列接続されたパワー変換システムのセットは、最終ＤＣ−ＤＣコンバータ（final DC-DC converter）と接続されていてもよい。最終ＤＣ−ＤＣコンバータは、昇圧コンバータ（step-up converter）であってもよい。パワー変換アレイは、さらに、それぞれが、直列接続されたパワー変換システムのセット（set of series-connected power conversion systems）に接続された入力端子と、電力線バス（power line bus）に接続された出力端子とを有する、複数の最終ＤＣ−ＤＣコンバータを備えていてもよい。
【００３９】
代わりに、直列接続されたパワー変換システムのセットは、ＤＣ−ＡＣインバータに接続されていてもよい。パワー変換アレイは、さらに、それぞれが、直列接続されたパワー変換システムのセットに接続された入力端子と、電力線バスに接続された出力端子とを有する、複数のＤＣ−ＡＣインバータを備えていてもよい。
【００４０】
本発明をはっきりと理解するために、本発明の実施の態様を、例として、添付の図を参照して示す：
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明による実施の形態である、フィルムのような積層構造の圧電−光起電力構造体の一部の透視図である。
【図２】本発明による他の実施の形態である、ファイバのような同心的な圧電−光起電力構造体の一部の透視図である。
【図３】図１及び図２に記載の圧電−光起電力構造体を作成する方法を示すフローチャートである。
【図４】本発明による他の実施の形態である、図１の圧電−光起電力構造体を含む、パワー変換システムの概略図である。
【図５】図４のパワー変換システムに使用することに適した、整流回路を配置した回路図である。
【図６】本発明による他の実施の形態である、エネルギ変換ユニット・セルの概略図である。
【図７】本発明による他の実施の形態である、図６のユニット・セルを複数示す回路図であり、それぞれが１以上の圧電素子及び１以上の光起電力素子を備え、複数のユニット・セルがパワー変換アレイを形成するために直列接続されていることを示している。
【図８】複数の圧電素子及び複数の光起電力素子を備えた、図６のユニット・セルを示す回路図である。
【図９】複数の圧電素子を接続する回路が第１のＤＣ−ＤＣコンバータに接続され、且つ、複数の光起電力素子を接続する回路が第２のＤＣ−ＤＣコンバータに接続されている本発明による他のユニット・セルを示す回路図である。
【図１０】それぞれＤＣ−ＤＣコンバータまたはＤＣ−ＡＣインバータを介して、出力電力線バスと接続された多重直列接続されたユニット・セルを示す、図８のパワー変換アレイの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
図１及び図２は、それぞれ、フィルム及びファイバのような、積層構造及び同心的に重ね合わされたハイブリッド圧電−光起電力構造体を示している。このファイバまたはフィルムは、光起電力セルの基材として、ＰＶＤＦのような圧電性ポリマを用いて製造されている。逆型有機太陽電池（inverted organic solar cell）を作成するために、Ｐ３ＨＴ及びＰＣＢＭのような有機系の電荷のドナー及びアクセプタの光起電力材料、並びに、アルミニウム及び銅のような電極材料を、ＰＶＤＦからなるファイバまたはフィルム上に交互に積層（deposited layer-by-layer）する。図３に示すように、以下では、このようなファイバやフィルムを製造する方法の詳細を示す。
【００４３】
Ｉ．圧電性ポリマへの電極の形成：
ファイバ（９）やフィルム（７）の形態の圧電分極されたＰＶＤＦ基材（A piezoelectrically polarised (poled) PVDF substrate）に、一対の電極（６，８）を形成し、更に絶縁層（５，１０）を積層する。２つの電極は、それぞれ、フィルムの基材の上面及び底面の大部分を覆ってもよく、また、ファイバの基材の表面の上部１８０度及び底部１８０度の大部分を覆ってもよい。フィルムの厚さが２５μｍの場合に、電荷変位係数（charge displacement coefficient）ｄ33がおよそ３５ｐＣ／Ｎである周知の圧電性ポリマであるため、基材としてＰＶＤＦが選択されている。高いｄ33定数を有していることは別にして、ＰＶＤＦは、非常に安定したポリマである。ＰＶＤＦは、１７５℃という比較的低い融点を有しており、溶融・押出しすることで、薄いフィルムやファイバにすることが容易である。
【００４４】
圧電基材の代替材料は、ポリプロピレン、ナイロン等、適切な弾力を有し、且つ、安定した基材のファイバやフィルムを形成すること、且つ、圧電分極が生じるその他のポリマを含んでもよい。圧電基材に形成された電極は、導電性のよい材料を熱蒸着することによって形成されている。代わりに、基材がフィルム状である場合、電極は、導電性ペーストをドクターブレードすることにより形成されていてもよい。フィルムの場合には、電気絶縁層（５）が、圧電部分の上部電極上に積層される。ファイバの場合には、絶縁体（１０）は、ファイバの大部分を囲むように両電極上に積層される。
【００４５】
ＩＩ．積層された圧電部分へのカソードの形成：
アルミニウムカソード（４，１１）は、積層された圧電部分（７，９）の上に、熱蒸着によって形成されている。カソードの材料は、アノードの材料よりも低い仕事関数を有すべきである。アルミニウムは、銅の仕事関数よりも低い仕事関数を有しているため、カソードの材料として選択されている。好ましい実施の形態では、積層された圧電ＰＶＤＦフィルム（７）またはファイバ（９）の上に、厚みが少なくとも２５０ｎｍあるアルミニウム製の薄いフィルムが形成されている。
【００４６】
ＩＩＩ．電子ドナー・アクセプタ材料の被覆を形成するための溶液：
Ｐ３ＨＴ及びＰＣＢＭが、クロロベンゼンに、重量比１：１の割合で混ぜられており、これは、太陽電池の量子変換を最大化すると考えられている。この溶液は、他のいかなる濃縮物よりも高い量子効率（quantum efficiency）を生み出すと考えられている、１０ｍｇ／ｍｌのＰ３ＨＴ＋ＰＣＢＭアクティブ材料の濃縮物（concentration）から調製されている（prepared）。その後、この溶液は、２００ｒｐｍで９時間、撹拌される。この混合物は、撹拌工程の間、不透明な（opaque）、気密のコンテナ内に収められている。
【００４７】
ＩＶ．回転／浸漬塗布を用いた電子ドナー・アクセプタ層の塗布：
Ｐ３ＨＴ＋ＰＣＢＭアクティブ層（active layer）（３，１２）は、回転塗布または浸漬塗布設備を用いて、アルミニウムが塗布されたＰＶＤＦ基材上に形成されている。回転塗布により、１０００ｒｐｍの速度で、クロロベンゼンに溶解した濃度１０ｍｇ／ｍｌのＰ３ＨＴ及びＰＣＢＭから、１００〜１５０ｎｍの厚みのアクティブ層を生成することができる。この厚みは、高い量子変換効率を得るために最適な厚みであると考えられている。アクティブ材料を被覆するために、初めに２００ｒｐｍの速度で１０秒間、次に、５００ｒｐｍの速度で１０秒間、そして、最終的に１０００ｒｐｍの速度で４０秒間、回転塗布を行う。この複数ステップからなる工程は、均一な厚みを得るために導入されている。塗布工程の間、構造体はマスク（mask）によって覆われており、特定の範囲にアクティブ材料が存在しないようにして、後ほどリード線を接続するアルミニウム・カソードにアクセスできるようにしている。
【００４８】
Ｖ．ステップＩからＩＶによって作成した構造体のアニーリング：
有機アクティブ光起電力材料をアニーリングすることで、太陽電池の量子変換効率が向上することが証明されている。上記ステップＩからＩＶによって作り上げられた構造体に対して、１１０℃の温度でアニールを行う。２５０℃の温度でアニーリングを行えば、この低い温度によるアニーリングよりも高い効率のものを得られる。しかしながら、２５０℃は、ＰＶＤＦの融点及びキュリー点（Curie point）を超えているため、圧電基材を損傷してしまう。そのため、最大温度１１０℃が選択されている。
【００４９】
ＶＩ．回転／浸漬塗布を用いた電子遮断（正孔抽出）層の塗布：
ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ層（２，１３）は、アクティブ層から太陽電池のアノードへの正孔注入／抽出層（hole injector/extractor layer）として用いられている。ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ層は、拡散した電子がアノードに向かってドリフトする（drift）ことを妨げる電子遮断層としても機能する。ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳ溶液は、およそ４０〜５０ｎｍの厚みを得るために、最大５０００ｒｐｍの高速回転でアクティブ層上に回転塗布される。ステップＩＶ及びＶＩの両ステップでは、積層／フィルム構造体には、回転塗布が望ましい。構造体がファイバである場合には、両ステップで、浸漬塗布が望ましい。
【００５０】
ＶＩＩ．ステップＩからＶＩによって作成された構造体のアニーリング：
電子遮断材料または正孔抽出材料をアニーリングすると、太陽電池の量子変換効率を向上させる。上記ステップＩからＶＩに沿って作り上げられた構造体に対して、短時間、例えば、およそ３０分間、１１０℃の温度でアニールを行う。ＰＥＤＯＴ：ＰＳＳをアニールする時間及び温度は、有機太陽電池の効率にあまり影響を与えない。
【００５１】
ＶＩＩＩ．銅製櫛状構造１及び１４の熱蒸着：
太陽電池の上部に形成されるアノードは、太陽光をなるべく遮断しないように、まばらに分布させるべきである。図１に示すように、スパイン部（spine）から伸びる細い複数のフィンガー部（fingers）を有する櫛状構造は、太陽光の遮断を最小限にしながら、アノード金属への電子輸送を良好にすることができる。図２に示したファイバを覆っているアノードも、櫛状または格子状構造の形態で、まばらに分布した形態にすべきである（図示せず）。カソードの材料であるアルミニウムよりも仕事関数が高いため、アノードの材料として、銅が選択されている。銅アノードは、熱蒸着設備を用いて、室温で形成されている。太陽電池と接続されるリード線間の抵抗値を比較的低くするために、銅の厚みは、２００ｎｍよりも厚いことが望ましい。
【００５２】
使用時には、ハイブリッド構造体の光起電力部分は、太陽光に応答して、アノードとカソード間に電流を発生させる。ハイブリッド構造体の圧電部分は、動きに応答して、電極間に、変動する電圧（fluctuating voltage）を発生させる。光起電力部分からの電流と圧電部分からの電圧は、それぞれ独立して、太陽エネルギ源または力学的エネルギ源から、電気エネルギを提供することが可能である。このエネルギは、以下に説明するように、例えば、貯蔵、または、使用することができる。
【００５３】
１つの実施の形態では、ＰＣＢＭ＋Ｐ３ＨＴアクティブ層（３，１２）を塗布する前に、アルミニウム・カソード（４，１１）上に、ＬｉＦ（リチウムフッ化物）の層を形成することでハイブリッド構造体の効率が向上する。この層は、正孔遮断層として機能する。
【００５４】
他の実施の形態では、単層または多層カーボンナノチューブ（ＳＷＣＮＴ及びＭＷＣＮＴ）のコロイド溶液が、アクティブ材料の混合物に含められている。これにより、アクティブ材料から電極までの電荷キャリアの拡散を向上させ、有機太陽電池の効率を向上させることができる。
【００５５】
さらに他の実施の形態では、ハイブリッド・セルの圧電部分を形成するＰＶＤＦフィルムまたはファイバ（７，９）基材の上部に、色素増感太陽電池が配置されている。
【００５６】
ＰＶＤＦの代わりに、ＰＦＣ（圧電性ファイバ・コンポジット[piezoelectric fibre composite]）、圧電性ポリプロピレン（piezoelectric polypropylene）（ＰＰ）、ナイロン等、様々な他のタイプの可撓性を有する圧電基材を用いることも可能である。
【００５７】
ＩＸ．太陽エネルギ及び圧電エネルギを結合させる基本回路：
図４に示した実施の形態では、ハイブリッド構造体の光起電力部分のアノード（１）及びカソード（４）が充電制御部（１４）に接続されており、同様に、充電制御部は、エネルギ貯蔵ユニット、例えば、バッテリ（１６）またはキャパシタに接続されている。充電制御部は、太陽光がない場合に、バッテリが放電することを防止することができる。ハイブリッド構造体の圧電部分の上部電極及び下部電極（６，８）は、整流回路（１５）に接続されており、同様に、整流回路はバッテリまたはその他の貯蔵用デバイス（１６）に接続されている。２つの回路のそれぞれは、同じ貯蔵用デバイスに接続されていてもよく、別々の貯蔵用デバイスに接続されていてもよい。図５に示した整流回路は、４つのダイオード（１８）からなるブリッジ整流器と、キャパシタ（１７）とを備えていてもよい。ダイオードとキャパシタによって、変動する周波数と電圧の振幅の信号を、より安定したＤＣ電圧信号に変換することができる。
【００５８】
圧電部分（１５）のエネルギ変換回路は、変動する周波数と電圧から、より一定のＤＣ電圧に変換するさらに効率的な変換のために、インダクタ及びデジタルスイッチ（インダクタを蓄積状態にする同期スイッチ）を追加して改良してもよい。
【００５９】
他の実施の形態では、エネルギは、バッテリやキャパシタのような貯蔵用デバイスに貯蔵されず、そのまま利用されている（utilised online）。例えば、太陽エネルギ及び／または風、潮汐、波、または雨のような力学的エネルギが十分であり、及び／または、エネルギの消費が少ない場合、貯蔵用デバイスを必要とせず、発電された電気を直接使用することが可能である。
【００６０】
Ｘ．エネルギ・ハーベスティング及び送電のための更なる回路：
他の実施の形態は、圧電部分及び光起電力部分によって生じた電圧を一定のＤＣ電圧に変換し、且つ、デバイスの圧電部分及び光起電力部分によって貯蔵されたエネルギが放出されることを防ぐ回路に関するものである。これにより、本デバイスは、力学的エネルギ及び太陽エネルギから変換されたパワーを効率的に供給する、高効率なエネルギ・ハーベスティング・デバイスとして機能することが可能となる。
【００６１】
図６には、エネルギ・ハーベスタの光起電力部分（２１）及び圧電部分（２２）によって別々に、それぞれの整流素子（２３，２４）によって、電荷が収集される回路の配置概略が示してある。ハイブリッド・セルの光起電力部分（２１）は、一定のＤＣ電圧を発生するため、使用される整流素子（２３）は、普通のショットキー・タイプの単一のダイオード整流器（ordinary Schottky type of single diode rectifier）でよい。一方、ハイブリッド・セルの圧電部分（２２）は、不規則に変化するＡＣ信号を一定のＤＣ電圧に変換するために、低損失ブリッジ形全波整流器からなる、高効率バック・コンバータ（buck converter）と結合されたリニアテクノロジ社（カリフォルニア州、ミルピタス）のＬＴＣ３５８８集積チップ（２７）を使用している。集積チップ（ＩＣ）は、１．８Ｖ、２．５Ｖ、３．３Ｖ及び３．６Ｖの４つの異なる出力電圧を有しており、入力電圧は２０Ｖに設定され、保護用シャント（protective shunt）を有している。光起電力部分（２１）及び圧電部分（２２）に接続された両整流素子（２３，２４）は、貯蔵用キャパシタ（２５）に接続されており、貯蔵用キャパシタは、高効率ＤＣ−ＤＣバック・コンバータ（２６）と接続されている。
【００６２】
図７は、ハイブリッド・エネルギ・ハーベスタの各ユニット・セル（３０）が直列接続されている回路図を示している。各ユニット・セル（３０）は、ハイブリッド・セルの光起電力部分（２１）からの電圧を制限するためのショットキー・ダイオード（２３）を備えている。ダイオードからＬＴＣ３５８８ ＩＣ（２７）から接続されたキャパシタは、さらに、ハイブリッド・セル（２２）の圧電部分によっても接続されている。エネルギ・ハーベスタの圧電部分は、ＰＺ１ピン及びＰＺ２ピンを通じて、ＬＴＣ３５８８ ＩＣに接続されている。デバイスの光起電力部分は、Ｖinピン及びＧＮＤピンを通じて、ＬＴＣ３５８８ ＩＣに接続されている。光起電力部分からの電荷／電気エネルギは、ダイオードを通して、キャパシタＣ２に貯蔵されている。同じキャパシタは、ＬＴＣ３５８８ ＩＣと統合された４ダイオード全波整流器を通して、エネルギ・ハーベスタの圧電部分からの電荷／電気エネルギも貯蔵している。
【００６３】
ＬＴＣ３５８８ ＩＣのピン４における電気入力Ｖinは、ハイブリッド・エネルギ・ハーベスタの光起電力部分及び圧電部分の両方からの電荷／電気エネルギの和である。ＬＴＣ３５８８ ＩＣのピン６における電圧出力端子Ｖoutは、出力電圧を制限する平滑回路を形成するインダクタＬ２（２９）及びキャパシタＣ４（２５）に接続されている。この出力電圧は、次に、ダイオードＤ２（２８）間に接続されており、電流の逆流を防止する働きをする。ピン７における他のＶin（ＩＣのバック・コンバータＮＭＯＳスイッチのためのゲートドライブとして機能する内部低電圧レール［rail］）は、キャパシタＣ３を通して、ハイブリッド・ハーベスタの光起電力部分の他方の電極に接続されている。これは、次に、ＬＴＣ３５８８ ＩＣのグラウンド（ＧＮＤ）に接続されており、同様に、ピン９及びピン８にも接続されている（これは、両電極がそれぞれＩＣのＰＺＴ１端子及びＰＺＴ２端子と接続されている圧電部分とは対照的である。）。
【００６４】
詳細に示している実施の形態では、ＬＴＣ３５８８のグラウンド（ＧＮＤ）ピン及びピン６の出力電圧は、およそ１．８Ｖである。図７には、複数（ｎ）の基本ユニット・セル（３０）が直列接続されていることが示されている。直列接続されている全体の合計電圧は、１つのユニット・セルの出力電圧のｎ倍、すなわち、（ｎ×１．８）Ｖである。ユニットの損傷や、太陽エネルギのレベルが不十分であること等に起因して、基本ユニットのうち、１つが動作していない場合、そのユニット・セルが有しているバイパスダイオードＤ２（２８）を経由して、そのユニット・セルはバイパスされる。そのため、直列接続の出力電圧は、（（ｎ−１）×１．８）Ｖとなる。
【００６５】
光起電力による電荷を収集し、エネルギ貯蔵デバイスに貯蔵する、商用の太陽電池において一般的に使用されている電気回路は、アレイに複数接続されているセルのうち１つが動作しない場合、完全に役に立たなくなる。バイパスダイオードＤ２（２８）を有する直列配置は、太陽電池が多数直列接続されたアレイのうち、１つまたは少数のユニット・セルが故障したとしても、エネルギ・ハーベスティング・デバイスの動作を妨げない。それどころか、アレイは、まだ動作している残りの太陽電池によって発電された電力の供給を継続するため、有利である。
【００６６】
図７に示した基本ユニット・セルは、例えば、フィルム状素子やストリップ状素子のような、ハイブリッド圧電−光起電力素子が比較的大規模な形態のハイブリッド光起電力・圧電エネルギ・ハーベスタ向きのものである。ファイバ状のような小規模素子の場合、素子のそれぞれがハイブリッド・ハーベスタ・セルとして機能するため、それぞれＬＴＣ３５８８ ＩＣ（２７）を必要とするが、これは、コストまたはスペースの問題を生じる。この問題を解決するために、複数のファイバまたは複数のファイバの一部のような、いくつかのまたは多数の圧電素子（２２）のそれぞれは、図８に示したように、それぞれ高効率ブリッジ形全波整流器（２４）に接続されていてもよい。ブリッジ形全波整流器は、次に、貯蔵用キャパシタＣ２に並列接続されている。図８に示したように、いくつかのハイブリッド・セルの光起電力部分（２１）がダイオードＤ１に対して直列接続されていてもよい。
【００６７】
ＩＣに接続する前の並列接続されるファイバの数は、ＩＣの入力電圧の上限によって制限されている。ＬＴＣ３５８８の場合には、この入力電圧の上限は２０Ｖである。多数のファイバを使用する場合、ＬＴＣ３５８８に似た適切な商用の入手可能なＩＣを選択することで、または、図９に示すようにＬＴＣ３５８８を２つの低出力ＤＣ−ＤＣコンバータで置き換えることで、この上限を上げることができる。ハイブリッド・セルの圧電部分（２２）のいくつかは、それぞれの、高効率全波整流器（２４）に接続されている。これらの整流器は直列接続されており、高電圧・低出力のＤＣ−ＤＣコンバータ（３２）に接続されたキャパシタＣ２に、最終的な電圧／電荷が貯蔵される。ハイブリッド・ファイバの光起電力部分は直列接続されており、低電圧・低出力のＤＣ−ＤＣコンバータ（３３）に接続されたキャパシタＣ１に、電圧／電荷が貯蔵される。
【００６８】
図１０は、複数のユニット・セル（３０）からなる複数のコラム（columns）を示す概略図である。各コラムは、要求される負荷の種類に応じて、ＤＣ−ＤＣコンバータまたはＤＣ−ＡＣインバータのいずれかと直列接続された複数のユニット・セルのセットから構成されている。これらいくつかのコラムは、次に、エネルギ・ハーベスタが要求する定格電流（current rating）に応じて、出力電力線バスに対して並列接続されている。
【００６９】
いくつかのハイブリッド素子が１つの整流回路に直列接続されている部分では、素子がそれぞれ整流回路に接続されている場合に比べて、変換効率は相当低くなる。図６乃至図１０に示した実施の形態では、この問題は、図６乃至図９に示したように、ハーベスタの各ユニット・セル（３０）内のＤＣ−ＤＣコンバータと結合されている貯蔵用キャパシタに整流回路を接続する前に、個々の圧電素子をそれぞれの整流回路に接続することで対処される。このことにより、変換効率を著しく落とすことなく、多数の圧電素子を使用することが可能になる。さらに、このことにより、図１０に示したように、いくつかの、または、多数のそのようなユニット・セルを、負荷、ＤＣ−ＤＣコンバータ、または、ＤＣ−ＡＣインバータに対して直接、直列接続することを可能にし、効率よく電荷を収集することができる。
【００７０】
本発明の利用法の例の１つとして、ハイブリッド圧電−光起電力材料からなるファイバ及び／またはフィルムは、木や枝の葉状（leaves）のアレイまたはクラスタ（clusters）として組み上げられてもよい。例えば、図１０に示した光起電力素子及び圧電素子を備えたユニット・セルのアレイ（３０）、または、図９に示したハイブリッド素子のアレイ（３４）は、木、枝または木構造の葉を形成してもよい。環境からエネルギを収集し、貯蔵または配給するために、これらは太陽光、風及び／または雨にさらされる。
【００７１】
上記の実施の形態は、例示としてのみ開示されている。添付の請求の範囲に定めたように、本発明の範囲を逸脱することなく、多くの変形例が可能である。
【図１】
0005897579.tif 000002
【図２】
0005897579.tif 000003
【図３】
0005897579.tif 000004
【図４】
0005897579.tif 000005
【図５】
0005897579.tif 000006
【図６】
0005897579.tif 000007
【図７】
0005897579.tif 000008
【図８】
0005897579.tif 000009
【図９】
0005897579.tif 000010
【図１０】
0005897579.tif 000011