(57)【要約】【課題】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。【解決手段】実施形態によれば、発電素子は、第１導電層と、第２導電層と、第１部材と、第２部材と、を含む。前記第１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。前記第１部材は、ウルツ鉱構造を有する第１結晶を含む。前記第２部材は、前記第１部材と前記第２導電層との間に設けられる。前記第２部材は、前記第１部材から離れる。前記第１結晶の＜０００−１＞方向は、前記第１部材から前記第２部材に向かう成分を有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導電層と、
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、ウルツ鉱構造を有する第１結晶を含む第１部材と、
前記第１部材と前記第２導電層との間に設けられ、前記第１部材から離れた第２部材と、
を備え、
前記第１結晶の＜０００−１＞方向は、前記第１部材から前記第２部材に向かう成分を有する、発電素子。
【請求項２】
前記第１部材は、前記第２部材に対向する第１面を有し、
前記第１面は、（０００−１）面である、請求項１記載の発電素子。
【請求項３】
前記第２部材は、ウルツ鉱構造を有する第２結晶を含み、
前記第２結晶の＜０００−１＞方向は、前記第２部材から前記第１部材に向かう成分を有する、請求項１または２に記載の発電素子。
【請求項４】
前記第２部材は、前記第１部材に対向する第２面を有し、
前記第２面は、（０００−１）面である、請求項３記載の発電素子。
【請求項５】
第１導電層と、
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部材と、
前記第１部材と前記第２導電層との間に設けられ前記第１部材から離れた第２部材と、
を備え、
前記第１部材の分極の負から正への向きは、前記第１部材から前記第２部材に向かう、発電素子。
【請求項６】
前記第２部材の分極の負から正への向きは、前記第２部材から前記第１部材に向かう、請求項５記載の発電素子。
【請求項７】
前記第２部材は、ＢａＴｉＯ３、ＰｂＴｉＯ３、Ｐｂ（Ｚｒｘ，Ｔｉ１−ｘ）Ｏ３、ＫＮｂＯ３、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＮａｘＷＯ３、Ｚｎ２Ｏ３、Ｂａ２ＮａＮｂ５Ｏ５、Ｐｂ２ＫＮｂ５Ｏ１５及びＬｉ２Ｂ４Ｏ７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６記載の発電素子。
【請求項８】
前記第２部材から前記第１部材に向かう方向に沿う前記第２部材の厚さは、５ｎｍ以下である。請求項７記載の発電素子。
【請求項９】
前記第１部材は、ＢａＴｉＯ３、ＰｂＴｉＯ３、Ｐｂ（Ｚｒｘ，Ｔｉ１−ｘ）Ｏ３、ＫＮｂＯ３、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＮａｘＷＯ３、Ｚｎ２Ｏ３、Ｂａ２ＮａＮｂ５Ｏ５、Ｐｂ２ＫＮｂ５Ｏ１５及びＬｉ２Ｂ４Ｏ７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５〜８のいずれか１つに記載の発電素子。
【請求項１０】
前記第１部材の温度が第２部材の温度よりも高いときに、
前記第１部材から電子が放出され、
前記電子は、前記第２部材に到達する、請求項１〜９のいずれか１つに記載の発電素子。
【請求項１１】
請求項１〜１０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１２】
請求項１１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１３】
請求項１２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、熱源からの熱が加わるエミッタ電極と、エミッタ電極からの熱電子を捕獲するコレクタ電極と、を有する発電素子がある。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】
【特許文献１】特開２０１３−２２９９７１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、第１導電層と、第２導電層と、第１部材と、第２部材と、を含む。前記第１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。前記第１部材は、ウルツ鉱構造を有する第１結晶を含む。前記第２部材は、前記第１部材と前記第２導電層との間に設けられる。前記第２部材は、前記第１部材から離れる。前記第１結晶の＜０００−１＞方向は、前記第１部材から前記第２部材に向かう成分を有する。
【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斜視図である。
【図２】図２（ａ）〜図２（ｅ）は、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（ｄ）は、発電素子の特性を例示する模式図である。
【図４】図４（ａ）〜図４（ｃ）は、発電素子の特性を例示する模式図である。
【図５】図５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、発電素子の特性を例示するグラフ図である。
【図７】図７（ａ）〜図７（ｅ）は、第２実施形態に係る発電素子の製造方法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の実施形態）  
図１は、第１実施形態に係る発電素子を例示する模式的斜視図である。  
図１に示すように、第１実施形態に係る発電素子１１０は、第１導電層Ｅ１、第２導電層Ｅ２、第１部材１１及び第２部材１２を含む。
【０００９】
第１部材１１は、第１導電層Ｅ１と第２導電層Ｅ２との間に設けられる。第１部材１１は、例えば、ウルツ鉱構造を有する第１結晶を含む。第２部材１２は、第１部材１１と第２導電層Ｅ２との間に設けられる。第２部材１２は、第１部材１１から離れる。例えば、第２部材１２は、ウルツ鉱構造を有する第２結晶を含む。第１結晶及び第２結晶は、例えば、ＡｌＮである。
【００１０】
第１部材１１と第２部材１２との間に空隙２０が設けられる。空隙２０は、減圧状態である。例えば、容器７０が設けられる。例えば、容器７０の内部に、第１部材１１及び第２部材１２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、空隙２０が、減圧状態となる。
【００１１】
例えば、第１部材１１は、第１導電層Ｅ１と電気的に接続される。第２部材１２は、第２導電層Ｅ２と電気的に接続される。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導電層Ｅ１と電気的に接続される。第２端子７２は、第２導電層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。
【００１２】
例えば、第１導電層Ｅ１（及び第１部材１１）の温度を第１温度Ｔ１とする。第２導電層Ｅ２（及び第２部材１２）の温度を第２温度Ｔ２とする。例えば、第１部材１１の温度（第１温度Ｔ１）が、第２部材１２の温度（第２温度Ｔ２）よりも高くされる。例えば、熱源などに第１導電層Ｅ１（及び第１部材１１）が接続される。これにより、第１温度Ｔ１が第２温度Ｔ２よりも高くなる。これにより、第１部材１１から電子５１が放出される。電子５１は、例えば、熱電子である。電子５１は、第２部材１２に向かって進行する。電子５１は、第２部材１２に到達する。
【００１３】
第２部材１２に到達した電子５１は、第２導電層Ｅ２及び第２端子７２を介して、負荷３０に流れる。電子５１の流れが電流に対応する。
【００１４】
このように、発電素子１１０においては、第１導電層Ｅ１（及び第１部材１１）と第２導電層Ｅ２（及び第２部材１２）との間における温度の差を電流に変換できる。
【００１５】
第１導電層Ｅ１（及び第１部材１１）は、例えば、エミッタである。第２導電層Ｅ２（及び第２部材１２）は、例えば、コレクタである。
【００１６】
第１部材１１から第２部材１２に向かう方向をＺ軸方向とする。Ｚ軸方向は、第１導電層Ｅ１から第２導電層Ｅ２に向かう方向に対応する。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。
【００１７】
この例では、第１部材１１及び第２部材１２は、Ｘ−Ｙ平面に沿って広がる膜状である。実施形態において、第１部材１１及び第２部材１２の形状は任意である。
【００１８】
第１結晶及び第２結晶の少なくともいずれかは、例えば、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。第１結晶及び第２結晶の少なくともいずれかは、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。
【００１９】
第１部材１１が半導体である場合は、第１部材１１の厚さｔ１は、例えば、１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である。第１部材１１が絶縁性である場合は、第１部材１１の厚さｔ１は、例えば、５ｎｍ以下である。第１部材１１が絶縁性である場合、厚さｔ１は、１ｎｍ以上２ｎｍ以下であることが好ましい。
【００２０】
第２部材１２が半導体である場合は、第２部材１２の厚さｔ２は、例えば、１００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下である。第２部材１２が絶縁性である場合は、第２部材１２の厚さｔ２は、例えば、５ｎｍ以下である。第２部材１２が絶縁性である場合、厚さｔ２は、１ｎｍ以上２ｎｍ以下であることが好ましい。厚さｔ１及び厚さｔ２は、Ｚ軸方向に沿った長さである。
【００２１】
第１部材１１と第２部材１２との間の距離ｔ３は、０．１μｍ以上５０μｍ以下である。距離ｔ３は、１０μｍ以下であることがさらに好ましい。距離ｔ３は、Ｚ軸方向に沿った長さである。距離ｔ３は、空隙２０の距離に対応する。
【００２２】
実施形態においては、第１部材１１の第１結晶の＜０００−１＞方向は、第１部材１１から第２部材１２に向かう成分を有する。例えば、第１部材１１は、第１面１１ａを有する。第１面１１ａは、第２部材１２に対向する。第１面１１ａは、例えば、（０００−１）面である。第１面１１ａは、半極性面でも良い。
【００２３】
実施形態において、例えば、第２部材１２の第２結晶の＜０００−１＞方向は、第２部材１２から第１部材１１に向かう成分を有する。例えば、第２部材１２は、第２面１２ａを有する。第２面１２ａは、第１部材１１に対向する。第２面１２ａは、例えば、（０００−１）面である。第２面１２ａは、半極性面でも良い。
【００２４】
第１部材１１（及び第２部材１２）が、上記のような極性を有することで、高い発電効率が得られることが分かった。
【００２５】
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２（ａ）〜図２（ｅ）は、発電素子を例示する模式的断面図である。  
これらの図は、シミュレーションにおいて用いられた構成を示している。シミュレーションにおいて、第１導電層Ｅ１及び第２導電層Ｅ２は、Ｍｏ層である。第１部材１１及び第２部材１２は、ＡｌＮである。ＡｌＮの厚さは、２０００ｎｍである。空隙２０の距離（Ｚ軸方向に沿った長さであり、距離ｔ３）は、１μｍである。
【００２６】
図２（ａ）に示す第１構成ＣＦ１においては、第１部材１１及び第２部材１２は、分極（自発分極）を有しない。第１構成ＣＦ１は、例えば、第１部材１１及び第２部材１２がアモルファスである場合に対応する。
【００２７】
図２（ｂ）に示す第２構成ＣＦ２においては、第１部材１１は、分極を有する。第１部材１１は、第２部材１２の側の第１面１１ａと、第１導電層Ｅ１の側の面１１ｂと、を有する。第１面１１ａにおいて、分極は正（＋σ）である。面１１ｂにおいて、分極は負（−σ）である。第１面１１ａは、−ｃ面（（０００−１）面）である。面１１ｂは、＋ｃ面（（０００１）面）である。第２構成ＣＦ２において、第２部材１２は、分極を有しない。
【００２８】
図２（ｃ）に示す第３構成ＣＦ３においては、第２部材１２は、分極を有する。第２部材１２は、第１部材１１の側の第２面１２ａと、第２導電層Ｅ２の側の面１２ｂと、を有する。第２面１２ａにおいて、分極は正（＋σ）である。面１２ｂにおいて、分極は負（−σ）である。第２面１２ａは、−ｃ面（（０００−１）面）である。面１２ｂは、＋ｃ面（（０００１）面）である。第３構成ＣＦ３において、第１部材１１は、分極を有しない。
【００２９】
図２（ｄ）に示す第４構成ＣＦ４において、第１部材１１及び第２部材１２は、分極を有する。分極の向きは互いに逆である。第１面１１ａにおいて、分極は正（＋σ）である。第１面１１ａは、−ｃ面（（０００−１）面）である。第２面１２ａにおいて、分極は正（＋σ）である。第２面１２ａは、−ｃ面（（０００−１）面）である。
【００３０】
図２（ｅ）に示す第５構成ＣＦ５においても、第１部材１１及び第２部材１２は、分極を有する。第５構成ＣＦ５における分極の向きは、第４構成ＣＦ４における分極の向きと逆である。
【００３１】
図３（ａ）〜図３（ｄ）は、発電素子の特性を例示する模式図である。  
これらの図は、第１構成ＣＦ１〜第５構成ＣＦ５におけるエネルギーバンド図である。これらにおいて、第１温度Ｔ１及び第２温度Ｔ２は、３００Ｋ（ケルビン）である。これらの図の横軸は、Ｚ軸方向に沿う位置ｐＺ（μｍ）である。縦軸は、エネルギーＥｇ（エレクトロンボルト：ｅＶ）である。
【００３２】
図３（ａ）には、第１構成ＣＦ１におけるフェルミレベルＦＬ１、第１構成ＣＦ１における伝導帯レベルＣＢ１、第２構成ＣＦ２におけるフェルミレベルＦＬ２、及び、第２構成ＣＦ２における伝導帯レベルＣＢ２が示されている。図３（ａ）から分かるように、第２構成ＣＦ２においては、第１構成ＣＦ１と比較して、第１部材１１の表面（第１部材１１と空隙２０との間の面）において、エネルギーＥｇが異なる。
【００３３】
図３（ｂ）には、第１構成ＣＦ１におけるフェルミレベルＦＬ１及び第１構成ＣＦ１における伝導帯レベルＣＢ１に加えて、第３構成ＣＦ３におけるフェルミレベルＦＬ３、及び、第３構成ＣＦ３における伝導帯レベルＣＢ３が示されている。図３（ｂ）から分かるように、第３構成ＣＦ３においては、第２部材１２の表面（第２部材１２と空隙２０との間の面）におけるエネルギーＥｇが、第１構成ＣＦ１におけるエネルギーＥｇとは異なる。
【００３４】
図３（ｃ）には、第１構成ＣＦ１におけるフェルミレベルＦＬ１及び第１構成ＣＦ１における伝導帯レベルＣＢ１に加えて、第４構成ＣＦ４におけるフェルミレベルＦＬ４、及び、第４構成ＣＦ４における伝導帯レベルＣＢ４が示されている。図３（ｃ）から分かるように、第４構成ＣＦ４においては、第１部材１１の表面、及び、第２部材１２の表面におけるエネルギーＥｇが、第１構成ＣＦ１におけるエネルギーＥｇとは異なる。
【００３５】
図３（ｄ）には、第１構成ＣＦ１におけるフェルミレベルＦＬ１及び第１構成ＣＦ１における伝導帯レベルＣＢ１に加えて、第５構成ＣＦ５におけるフェルミレベルＦＬ５、及び、第５構成ＣＦ５における伝導帯レベルＣＢ５が示されている。図３（ｄ）から分かるように、第５構成ＣＦ５においては、第１構成ＣＦ１〜第４構成ＣＦ４と比較して、エネルギーＥｇが著しく大きくなる。
【００３６】
図３（ａ）〜図３（ｃ）から分かるように、第１部材１１または第２部材１２の表面が、−ｃ面（（０００−１）面）である場合には、これらの表面において、伝導帯レベルのエネルギーＥｇが低くなる。
【００３７】
一方、図３（ｄ）に示すように、第１部材１１及び第２部材１２の表面が、＋ｃ面（（０００１）面）である場合には、伝導帯レベルのエネルギーＥｇが著しく高くなる。このため、第５構成ＣＦ５においては、熱電子（電子５１）が放出されにくいと考えられる。
【００３８】
次に、第１温度Ｔ１を第２温度Ｔ２よりも高くした時の特性の例について説明する。  
図４（ａ）〜図４（ｃ）は、発電素子の特性を例示する模式図である。  
これらの図は、第１構成ＣＦ１〜第４構成ＣＦ４におけるエネルギーバンド図である。これらにおいて、第１温度Ｔ１は８００Ｋであり、第２温度Ｔ２は３００Ｋである。第５構成ＣＦ５の特性のシミュレーションも試みたが、計算値が収束せず、第５構成ＣＦ５の特性が得られない。これらの図の横軸は、位置ｐＺである。縦軸は、エネルギーＥｇである。
【００３９】
図４（ａ）に示すように、第２構成ＣＦ２における伝導帯レベルＣＢ２は、第１部材１１の表面（第１部材１１と空隙２０との間の面）において、第１構成ＣＦ１における伝導帯レベルＣＢ１よりも、低くなる。
【００４０】
図４（ｂ）に示すように、第３構成ＣＦ３の伝導帯レベルＣＢ３は、第２部材１２の表面（第２部材１２と空隙２０との間の面）において、第１構成ＣＦ１における伝導帯レベルＣＢ１よりも、低くなる。
【００４１】
図４（ｃ）に示すように、第４構成ＣＦ４の伝導帯レベルＣＢ４は、第１部材１１の表面、及び、第２部材１２の表面において、第１構成ＣＦ１における伝導帯レベルＣＢ１よりも、低くなる。
【００４２】
このように、第１部材１１及び第２部材１２の少なくともいずれかが、上記の極性の分極を有することで、表面のエネルギーＥｇが低くなる。
【００４３】
図５は、発電素子の特性を例示するグラフ図である。  
図５は、第１構成ＣＦ１〜第４構成ＣＦ４における発電特性のシミュレーション結果を示す。図５の横軸は、第１温度Ｔ１（Ｋ：ケルビン）である。縦軸は、電流密度Ｊｃ（任意単位）である。この例においては、第２温度Ｔ２は、３００Ｋである。
【００４４】
図５に示すように、第３構成ＣＦ３における電流密度Ｊｃは、第１構成ＣＦ１における電流密度Ｊｃよりも高い。そして、第２構成ＣＦ２における電流密度Ｊｃは、第３構成ＣＦ３における電流密度Ｊｃよりも高い。第４構成ＣＦ４における電流密度Ｊｃは、第２構成ＣＦ２における電流密度Ｊｃよりも高い。
【００４５】
このように、第１部材１１及び第２部材１２の少なくともいずれかが上記の極性の分極を有することで、高い電流密度Ｊｃが得られる。特に、温度が相対的に高くされる第１部材１１が、上記の極性の分極を有することで、特に高い電流密度Ｊｃが得られる（第２構成ＣＦ２及び第４構成ＣＦ４）。例えば、第１部材１１及び第２部材１２の両方が、上記の極性の分極を有することで、特に高い電流密度Ｊｃが得られる（第４構成ＣＦ４）。高い電流密度Ｊｃは、高い効率に対応する。第１部材１１及び第２部材１２の少なくともいずれかが上記の極性の分極を有することで、高い効率が得られる。
【００４６】
このような高い電流密度Ｊｃは、例えば、図４（ａ）〜図４（ｃ）に関して説明した伝導帯の特性に起因していると考えられる。伝導帯の特性は、第１部材１１及び第２部材１２のそれぞれの表面における障壁高さの特性である。障壁高さは、電子親和力と関係していると考えられる。
【００４７】
発電素子において、第１部材１１及び第２部材１２の材料自体の電子親和力が発電効率に関係すると、考えられる。以下、第１構成ＣＦ１及び第４構成ＣＦ４に関して、電子親和力を変えたときの発電効率の例について説明する。
【００４８】
図６（ａ）及び図６（ｂ）は、発電素子の特性を例示するグラフ図である。  
図６（ａ）は、第１構成ＣＦ１の特性に対応する。第６（ｂ）は、第４構成ＣＦ４の特性に対応する。これらの図の横軸は、第１温度Ｔ１である。縦軸は、発電効率Ｅｆ（任意単位）である。これらの図のシミュレーションにおいて、第２温度Ｔ２は、３００Ｋである。シミュレーションにおいて、第１部材１１及び第２部材１２の電子親和力χが、０．３、０．４５、または、０．６に変更される。
【００４９】
図６（ａ）及び図６（ｂ）に示すように、電子親和力χが０．３、０．４５、または、０．６のいずれのときも、同じ第１温度Ｔ１において、第４構成ＣＦ４における発電効率Ｅｆは、第１構成ＣＦ１における発電効率Ｅｆよりも高い。特に、電子親和力χが高いときに、第４構成ＣＦ４による発電効率Ｅｆの向上効果が大きくなる。
【００５０】
既に説明したように、本実施形態において、第１部材１１及び第２部材１２の少なくともいずれかは、ウルツ鉱構造を有する結晶を含む。第１部材１１及び第２部材１２の少なくともいずれかは、例えば、窒化物半導体を含む。または、第１部材１１及び第２部材１２の少なくともいずれかは、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。
【００５１】
本実施形態において、第１部材１１及び第２部材１２の少なくともいずれかは、絶縁性の材料を含んでも良い。例えば、第１部材１１及び第２部材１２の少なくともいずれかは、ＢａＴｉＯ３、ＰｂＴｉＯ３、Ｐｂ（Ｚｒｘ，Ｔｉ１−ｘ）Ｏ３、ＫＮｂＯ３、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＮａｘＷＯ３、Ｚｎ２Ｏ３、Ｂａ２ＮａＮｂ５Ｏ５、Ｐｂ２ＫＮｂ５Ｏ１５及びＬｉ２Ｂ４Ｏ７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。Ｐｂ（Ｚｒｘ，Ｔｉ１−ｘ）Ｏ３は、ＰＺＴ（lead zirconate titanate）である。
【００５２】
この場合、例えば、第１部材１１の分極の負から正への向きは、第１部材１１から第２部材１２に向かう。例えば、第２部材１２の分極の負から正への向きは、第２部材１２から第１部材１１に向かう。この場合も、高い効率が得られる。
【００５３】
第１部材１１及び第２部材１２が、絶縁性の材料を含む場合、第１部材１１及び第２部材１２のそれぞれの厚さは、薄い。これにより、電流が流れ易くなる。例えば、第１部材１１の厚さｔ１（第１部材１１から第２部材１２に向かう方向に沿う長さ）は、５ｎｍ以下である。厚さｔ１は、１ｎｍ以上２ｎｍ以下でも良い。例えば、第２部材１２の厚さｔ２（第２部材１２から第１部材１１に向かう方向に沿う長さ）は、５ｎｍ以下である。厚さｔ２は、１ｎｍ以上２ｎｍ以下でも良い。第１部材１１及び第２部材１２の少なくともいずれかは、島状または網目状でもよい。
【００５４】
既に説明したように、実施形態において、第１部材１１及び第１部材１２の少なくともいずれかが半導体結晶を含んでも良い。半導体結晶は、例えば、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。または、第１部材１１及び第１部材１２の少なくともいずれかが、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。このような場合も、第１部材１１の分極の負から正への向きは、第１部材１１から第２部材１２に向かう。例えば、第２部材１２の分極の負から正への向きは、第２部材１２から第１部材１１に向かう。高い効率が得られる。
【００５５】
（第２実施形態）  
第２実施形態は、発電素子の製造方法に係る。第１実施形態に係る発電素子１１０は、例えば、本製造方法により製造できる。
【００５６】
図７（ａ）〜図７（ｅ）は、第２実施形態に係る発電素子の製造方法を例示する模式的断面図である。  
図７（ａ）に示すように、基体５０ｓの上に第１膜１１Ｆを形成する。第１膜１１Ｆは、第１部材１１及び第２部材１２の少なくともいずれかとなる。基体５０ｓとして、例えば、Ｓｉ基板、Ａｌ２Ｏ３基板、または、ＳｉＣ基板などが用いられる。第１膜１１Ｆは、例えば、有機金属気相法（ＭＯＣＶＤ）などにより、結晶成長される。第１膜１１Ｆは、分子線エピタキシー法（ＭＢＥ：Molecular Beam Epitaxy）などによる結晶成長により形成されても良い。第１膜１１Ｆは、例えば、窒化物半導体の結晶である。第１膜１１Ｆの表面（上面）は、＋ｃ面となる。第１膜１１Ｆの下面（基体５０ｓ側の面）は、−ｃ面となる。
【００５７】
図７（ｂ）に示すように、第１膜１１Ｆの上に、導電層Ｅ０を形成する。導電層Ｅ０は、第１導電層Ｅ１及び第２導電層Ｅ２の少なくともいずれかとなる。導電層Ｅ０は、例えば、Ｍｏ及びＷからなる群から選択された少なくともいずれかを含む。導電層Ｅ０は、例えば、蒸着により形成される。例えば、導電層Ｅ０は、ウェーハ状の、ＭｏまたはＷでも良い。この場合、導電層Ｅ０は、例えば、第１膜１１Ｆと接合される。
【００５８】
図７（ｃ）に示すように、基体５０ｓを除去する。
【００５９】
図７（ｄ）に示すように、第１膜１１Ｆの表面は、−ｃ面となる。このような、導電層Ｅ０及び第１膜１１Ｆを含む構造体を複数用意する。複数の構造体の１つにおいて、導電層Ｅ０が第１導電層Ｅ１となり、第１膜１１Ｆが第１部材１１となる。複数の構造体の別の１つにおいて、導電層Ｅ０が第２導電層Ｅ２となり、第１膜１１Ｆが第２部材１２となる。
【００６０】
図７（ｅ）に示すように、第１部材１１と第２部材１２とが互いに対向するように、第１部材１１及び第２部材１２が互いに組み合わされる。これにより、実施形態に係る発電素子１１０が作製される。
【００６１】
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、第１実施形態に係る発電素子１１０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。
【００６２】
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。
【００６３】
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、第１実施形態に係る発電素子１１０または発電モジュール２１０）は、太陽熱発電に応用できる。
【００６４】
図８（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導電層Ｅ１及び第１部材１１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。
【００６５】
図８（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。
【００６６】
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。
【００６７】
実施形態に係る発電素子１１０を用いることで、高効率の発電が実施できる。
【００６８】
実施形態は、以下の構成（技術案）を含んでも良い。  
（構成１）（第１の独立項：結晶方位で、半極性面も含む）  
第１導電層と、
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、ウルツ鉱構造を有する第１結晶を含む第１部材と、
前記第１部材と前記第２導電層との間に設けられ、前記第１部材から離れた第２部材と、
を備え、
前記第１結晶の＜０００−１＞方向は、前記第１部材から前記第２部材に向かう成分を有する、発電素子。  
（構成２）  
前記第１部材は、前記第２部材に対向する第１面を有し、
前記第１面は、（０００−１）面である、構成１記載の発電素子。
（構成３）  
前記第２部材は、ウルツ鉱構造を有する第２結晶を含み、
前記第２結晶の＜０００−１＞方向は、前記第２部材から前記第１部材に向かう成分を有する、構成１または２に記載の発電素子。
（構成４）  
前記第２部材は、前記第１部材に対向する第２面を有し、
前記第２面は、（０００−１）面である、構成３記載の発電素子。
（構成５）  
前記第２結晶は、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、構成３または４に記載の発電素子。
（構成６）  
前記第２結晶は、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、構成３または４に記載の発電素子。
（構成７）  
前記第１結晶は、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、構成１〜６のいずれか１つに記載の発電素子。
（構成８）  
前記第１結晶は、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、構成１〜６のいずれか１つに記載の発電素子。
（構成９）  
第１導電層と、
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部材と、
前記第１部材と前記第２導電層との間に設けられ前記第１部材から離れた第２部材と、
を備え、
前記第１部材の分極の負から正への向きは、前記第１部材から前記第２部材に向かう、発電素子。
（構成１０）  
前記第２部材の分極の負から正への向きは、前記第２部材から前記第１部材に向かう、構成９記載の発電素子。
（構成１１）  
前記第２部材は、ＢａＴｉＯ３、ＰｂＴｉＯ３、Ｐｂ（Ｚｒｘ，Ｔｉ１−ｘ）Ｏ３、ＫＮｂＯ３、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＮａｘＷＯ３、Ｚｎ２Ｏ３、Ｂａ２ＮａＮｂ５Ｏ５、Ｐｂ２ＫＮｂ５Ｏ１５及びＬｉ２Ｂ４Ｏ７からなる群から選択された少なくとも１つを含む、構成１０記載の発電素子。
（構成１２）  
前記第２部材から前記第１部材に向かう方向に沿う前記第２部材の厚さは、５ｎｍ以下である。構成１１記載の発電素子。
（構成１３）  
前記第２部材は、島状または網目状である構成１１記載の発電素子。
（構成１４）  
前記第２部材は、第２結晶を含み、
前記第２結晶は、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、構成１０記載の発電素子。
（構成１５）  
前記第１部材は、ＢａＴｉＯ３、ＰｂＴｉＯ３、Ｐｂ（Ｚｒｘ，Ｔｉ１−ｘ）Ｏ３、ＫＮｂＯ３、ＬｉＮｂＯ３、ＬｉＴａＯ３、ＮａｘＷＯ３、Ｚｎ２Ｏ３、Ｂａ２ＮａＮｂ５Ｏ５、Ｐｂ２ＫＮｂ５Ｏ１５及びＬｉ２Ｂ４Ｏ７からなる群から選択された少なくとも１つを含む、構成９〜１４のいずれか１つに記載の発電素子。
（構成１６）  
前記第１部材から前記第２部材に向かう方向に沿う前記第１部材の厚さは、５ｎｍ以下である。構成１５記載の発電素子。
（構成１７）  
前記第１部材は、島状または網目状である構成１５記載の発電素子。
（構成１８）  
前記第１部材は、第１結晶を含み、
前記第１結晶は、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、構成９記載の発電素子。
（構成１９）  
前記第１導電層と電気的に接続された第１端子と、
前記第２導電層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、構成１〜１８のいずれか１つに記載の発電素子。
（構成２０）  
前記第１部材の温度が第２部材の温度よりも高いときに、
前記第１部材から電子が放出され、
前記電子は、前記第２部材に到達する、構成１〜１９のいずれか１つに記載の発電素子。
（構成２１）  
構成１〜２０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。
（構成２２）  
構成１１記載の前記発電モジュールを複数備えた発電装置。
（構成２３）  
構成１２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。
【００６９】
実施形態によれば、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。
【００７０】
なお、本明細書において「窒化物半導体」とは、ＢｘＩｎｙＡｌｚＧａ１−ｘ−ｙ−ｚＮ（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。
【００７１】
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、部材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。
【００７２】
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。
【００７３】
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、発電モジュール、発電装置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。
【００７４】
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。
【００７５】
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】
【００７６】
１１…第１部材、  １１Ｆ…第１膜、  １１ａ…第１面、  １１ｂ…面、  １２…第２部材、  １２ａ…第２面、  １２ｂ…面、  ２０…空隙、  ３０…負荷、  ５０ｓ…基体、  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、  χ…電子親和力、  １１０…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、  ＣＢ１〜ＣＢ５…伝導帯レベル、  ＣＦ１〜ＣＦ５…第１〜第５構成、  Ｅ０…導電層、  Ｅ１…第１導電層、  Ｅ２…第２導電層、  Ｅｆ…発電効率、  Ｅｇ…エネルギー、  ＦＬ１〜ＦＬ５…フェルミレベル、  Ｊｃ…電流密度、  Ｔ１、Ｔ２…第１、第２温度、  ｐＺ…位置、  ｔ１、ｔ２…厚さ、  ｔ３…距離
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2018195790.tif 000009
【図８】
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【図９】
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