(57)【要約】  エネルギー変換装置および内部での反応化学種の移動を変化させる方法が、誘電勾配構造（例えば領域、層）の使用を含む。例えば、光子エネルギー変換装置（例えば太陽電池）または化学エネルギー変換装置（例えば燃料電池）において、誘電率に勾配を設ける１つまたは複数の非電気構造を電池内に配置して、光生成化学種または化学反応生成化学種の移動の方向および／または速度を変化させる。
2012517095.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電子、正孔、イオン、励起子(excitons)、およびラジカル系(radical-based)の電荷(charge)もしくはエネルギーの１種または複数種の移動、が改善されたエネルギー変換(conversion)セル(cell)であって、
陰極と、
第１移動領域(transport region)と、
エネルギー交換(exchange)領域と、
誘電体領域と、
第２移動領域と、
陽極と、
を備え、前記誘電体領域は、前記陽極または陰極の一方への移動方向に沿って誘電率勾配(a dielectric constant of a graded value)が得られるように調整され(tailored)、
それによって、電子、正孔、イオン、励起子、およびラジカル系の電荷もしくはエネルギーの１種または複数種の移動が改善される、エネルギー変換セル。
【請求項２】
前記エネルギー交換領域は、前記第１移動領域の少なくとも一部の中に配置される、請求項１に記載のエネルギー変換セル。
【請求項３】
前記誘電体領域は、前記エネルギー交換領域と前記第２移動領域の界面(interface)に
配置される、請求項１に記載のエネルギー変換セル。
【請求項４】
前記誘電体領域は、前記移動方向に沿って誘電率勾配が得られる形状の構造を有する、請求項３に記載のエネルギー変換セル。
【請求項５】
前記構造は、前記界面に沿って複数の隆起部(bumps)または畝部(ridges)を含む、請求
項４に記載のエネルギー変換セル。
【請求項６】
前記誘電体領域は、基材内に配置された１種または複数種の誘電材料の複数の粒子を含む、請求項１に記載のエネルギー変換セル。
【請求項７】
前記基材は水である、請求項６に記載のエネルギー変換セル。
【請求項８】
前記誘電体領域にわたって前記複数の粒子の濃度を単調に変化させる、請求項６に記載のエネルギー変換セル。
【請求項９】
前記誘電体領域にわたって複数の粒子のサイズを単調に(monotonically)変化させる、
請求項６に記載のエネルギー変換セル。
【請求項１０】
前記誘電体領域は、誘電率勾配を設けるために組成が変化(varied composition)した層を含む、請求項１に記載のエネルギー変換セル。
【請求項１１】
光子エネルギー変換セルを備える、請求項１に記載のエネルギー変換セル。
【請求項１２】
前記光子エネルギー変換セルは光起電力電池を備える、請求項１１に記載のエネルギー変換セル。
【請求項１３】
前記光起電力電池は、固体または液体接合型の太陽電池を備える、請求項１２に記載のエネルギー変換セル。
【請求項１４】
スペクトル改変(modification)領域をさらに備え、
前記スペクトル改変領域は、第１屈折率を有する複合膜(composite film)と、前記第１屈折率と異なる第２屈折率を有する基材(matrix)とを含み、
前記複合膜は前記基材上に配置され(disposed)、前記複合膜は発光(luminescent)材料
およびミクロンサイズのシリコン粒子を含む、請求項１１に記載のエネルギー変換セル。
【請求項１５】
燃料電池を備える、請求項１に記載のエネルギー変換セル。
【請求項１６】
電子、イオン、励起子、およびラジカル系の電荷もしくはエネルギーの１種または複数種が前記第１移動領域を介して前記陰極に向かって移動し、前記移動した電子、イオン、励起子、またはラジカル系の電荷もしくはエネルギーは前記陰極での反応において触媒として働く、請求項１に記載のエネルギー変換セル。
【請求項１７】
前記誘電体領域は、前記移動方向に約１００Å以下の長さスケール(length scale)を有する、請求項１に記載のエネルギー変換セル。
【請求項１８】
前記誘電体領域は、前記移動方向に約１０ｎｍ以上の長さスケールを有する、請求項１に記載のエネルギー変換セル。
【請求項１９】
第２誘電体領域をさらに備える、請求項１に記載のエネルギー変換セル。
【請求項２０】
前記第２誘電体領域は、前記移動方向に、前記誘電体領域の前記長さスケールとは異なる長さスケールを有する、請求項１９に記載のエネルギー変換セル。
【請求項２１】
前記第１移動領域および前記第２移動領域の少なくとも一方にわたって電界を印加する装置をさらに備える、請求項１に記載のエネルギー変換セル。
【請求項２２】
電子、正孔、イオン、励起子、およびラジカル系の電荷もしくはエネルギーの１種または複数種の移動が改善されたエネルギー変換セルであって、
陰極と、
第１移動領域と、
第１誘電率を有する基材(matrix)および前記第１誘電率よりも小さい第２誘電率を有する第２材料であって前記基材(matrix material)内に分散されて(dispersed)誘電勾配(dielectrically graded)複合領域(composite region)を形成する第２材料を含むエネルギー
交換領域と、
第２移動領域と、
陽極と、
を備える、エネルギー変換セル。
【請求項２３】
前記エネルギー交換領域は、前記第１移動領域の少なくとも一部の中に配置される、請求項２２に記載のエネルギー変換セル。
【請求項２４】
前記第２材料は複数の粒子または空隙(voids)を含む、請求項２２に記載の光子エネル
ギー変換セル。
【請求項２５】
前記基材は、プラスチック半導体、ポリマー半導体、または無機半導体を含む、請求項２４に記載の光子エネルギー変換セル。
【請求項２６】
前記基材にわたって前記複数の粒子または空隙の濃度(concentration)を単調に変化さ
せる、請求項２４に記載のエネルギー変換セル。
【請求項２７】
前記基材にわたって複数の粒子または空隙のサイズを単調に変化させる、請求項２４に記載のエネルギー変換セル。
【請求項２８】
光子エネルギー変換セルを備える、請求項２２に記載のエネルギー変換セル。
【請求項２９】
前記光子エネルギー変換セルは光起電力電池を備える、請求項２８に記載のエネルギー変換セル。
【請求項３０】
スペクトル改変領域をさらに備え、
前記スペクトル改変領域は、第１屈折率を有する複合膜と、前記第１屈折率と異なる第２屈折率を有するスペクトル改変(modification)基材(matrix)とを含み、
前記複合膜は前記スペクトル改変基材上に配置され、前記複合膜は発光材料およびミクロンサイズのシリコン粒子を含む、請求項２８に記載のエネルギー変換セル。
【請求項３１】
燃料電池を備える、請求項２２に記載のエネルギー変換セル。
【請求項３２】
電子、イオン、励起子、およびラジカル系の電荷もしくはエネルギーの１種または複数種が前記第１移動領域を介して前記陰極に向かって移動し、前記移動した電子、イオン、励起子、またはラジカル系の電荷もしくはエネルギーは前記陰極での反応において触媒として働く、請求項２０に記載のエネルギー変換セル。
【請求項３３】
前記誘電勾配複合領域は、前記移動方向に約１００Å以下の長さスケールを有する、請求項２２に記載のエネルギー変換セル。
【請求項３４】
前記誘電勾配複合領域は、前記移動方向に約１０ｎｍ以上の長さスケールを有する、請求項２２に記載のエネルギー変換セル。
【請求項３５】
第２誘電勾配複合領域をさらに備える、請求項２２に記載のエネルギー変換セル。
【請求項３６】
前記第１移動領域および前記第２移動領域の少なくとも一方にわたって電界を印加する装置をさらに備える、請求項２２に記載のエネルギー変換セル。
【請求項３７】
励起子の移動が実質的に抑制された光子エネルギー変換セルであって、
陰極と、
第１移動領域と、
光子吸収領域と、
誘電体領域と、
第２移動領域と、
陽極と、
を備え、前記誘電体領域は、前記陽極または陰極の一方への移動方向に沿って誘電率勾配が得られるように調整され、それによって励起子(exciton)の移動が抑制(inhibit)される、光子エネルギー変換セル。
【請求項３８】
励起子の移動が実質的に抑制された(inhibited)光子(photon)エネルギー変換セルであ
って、
陰極と、
第１移動領域と、
第１誘電率を有する基材および前記第１誘電率よりも小さい第２誘電率を有する第２材料であって前記基材内に分散されて誘電勾配複合領域を形成する第２材料を含む光子吸収
領域と、
第２移動領域と、
陽極と、
を備える、光子エネルギー変換セル。
【請求項３９】
エネルギー変換装置内での帯電した化学種(species)の移動を改善する方法であって、
前記エネルギー変換装置の陽極と陰極の間に少なくとも１つの誘電勾配領域を設けるステップを含み、
前記少なくとも１つの誘電勾配領域は、所望の帯電した化学種の移動方向に沿って約１０ｎｍ以上の長さスケールを有する、方法。
【請求項４０】
前記エネルギー変換装置に電界を印加するステップをさらに含む、請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】
前記少なくとも１つの誘電勾配領域は複数の粒子を含み、前記少なくとも１つの誘電勾配領域にわたって前記粒子の濃度またはサイズを所望の帯電した化学種の前記移動方向に沿って変化させる、請求項３９に記載の方法。
【請求項４２】
前記少なくとも１つの誘電勾配領域は、所望の帯電した化学種の前記移動方向に沿って約１０ｎｍ以上の長さスケールが得られる構造を形成するように成膜される、請求項３９に記載の方法。
【請求項４３】
第２誘電勾配領域を設けるステップをさらに含む、請求項３９に記載の方法。
【請求項４４】
エネルギー変換装置内での励起子の移動を変化させる方法であって、
前記エネルギー変換装置の陽極と陰極の間に少なくとも１つの誘電勾配領域を設けるステップを含み、
前記少なくとも１つの誘電勾配領域は、所望の励起子の移動方向に沿って約１００Å以下の長さスケールを有する、方法。
【請求項４５】
前記少なくとも１つの誘電勾配領域は複数の粒子を含み、前記少なくとも１つの誘電勾配領域にわたって前記粒子の濃度(concentration)またはサイズを所望の励起子の前記移
動方向に沿って変化させる、請求項４４に記載の方法。
【請求項４６】
前記少なくとも１つの誘電勾配領域は、所望の励起子の前記移動方向に沿って約１００Å以下の長さスケールが得られる構造を形成するように成膜される(deposited)、請求項
４４に記載の方法。
【請求項４７】
第２誘電勾配領域を設けるステップをさらに含む、請求項４４に記載の方法。
【請求項４８】
前記少なくとも１つの誘電勾配領域は、励起子の移動を改善するように勾配が付けられる、請求項４４に記載の方法。
【請求項４９】
前記少なくとも１つの誘電勾配領域は、励起子の移動を実質的に抑制するように勾配が付けられる、請求項４４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[0001]本出願の技術分野は、例えば光子エネルギー変換セル装置（例えば光起電力電池）または化学エネルギー変換セル（例えば燃料電池）などのエネルギー変換セル内での電子、正孔、イオン、励起子、およびラジカルな電荷もしくはエネルギーの１種または複数種の移動を改善する装置および方法に関する。本出願の技術分野は、光子エネルギー変換セル内での励起子の移動を実質的に抑制する装置および方法にも関する。
【背景技術】
【０００２】
[0002]エネルギー変換セル装置は一般に、光または化学反応などによるエネルギーを電力に変換するいくつかのステップを必要とする。例えば、太陽電池では、最初のステップは、電子が光子に励起されてより高くより強力なエネルギーレベルになり、エネルギーが空のレベルまたは状態が後に残る電子的なメカニズムを含む。光で励起された電子および（正孔として知られる）空エネルギー状態はともに、別々の回収部位（例えば陰極および陽極）にマイグレーションしなければならない。太陽電池装置では、電子および正孔用の別々の回収部位は負極性および正極性の接点である。これらの電子および正孔は励起子の形で一体で移動することがあり、その後、分離して回収される。
【０００３】
[0003]太陽光発電の費用対効果を高くするために、可視光光子を変換して吸収したエネルギーを電気接点に移動し得る励起電荷にする安価な材料を模索する研究が盛んになっている。これまでのところ、高価な高品質シリコンに替わる可能性を秘めた安価な材料はその多くが移動性に大きな難点をもつ。このように移動性が悪いことから、こうした比較的安価の材料は光子エネルギー変換セルに応用することができない。
【０００４】
[0004]高品質単結晶シリコン太陽電池では、電子および正孔は拡散係数が大きく寿命（すなわち、光子励起キャリアと正孔とが再結合するのに要する時間であり、再結合すると通常は熱が発生し電荷として回収されない）が長い。単結晶シリコンの電子移動度は１００ｃｍ２／Ｖ−ｓよりも大きい。光生成少数キャリアの寿命は十分に長く、そのため、アモルファスシリコンでは拡散長が約０．５μｍよりも短いが、単結晶シリコンでは１００μｍよりも長くなる。これらの拡散長は、太陽電池の接触領域を帯電させるべく光生成キャリアが移動し得る距離をほぼ反映している。
【０００５】
[0005]アモルファスシリコン光起電力電池（例えば太陽電池）は通常０．２μｍよりも厚いので、光生成キャリア（例えば電子、正孔、イオン、励起子、およびラジカルな電荷またはエネルギー）の多くは、回収される前に再結合することになる。この再結合の問題は、その程度を低減することができる。しかし、キャリア回収を支援するのに電界を利用すると、（開路電圧が減少するので）利用可能な光生成電力が減少してしまう。
【０００６】
[0006]電界支援回収は一般に、電気的性質に勾配を付け（すなわちドーパント濃度に勾配を付け）、かつ／または強絶縁太陽電池吸収層を設けることを必要とする。アモルファスシリコン太陽電池の場合、絶縁吸収材料を支援電界と組み合わせて使用する。単結晶シリコン太陽電池では、電極の近くでドーパントに勾配を付けることが多く、それによってキャリアの回収を支援し再結合を少なくする。
【０００７】
[0007]近年、低コストの固体（例えばプラスチックまたはポリマー）および／または液体を接合したタイプの太陽電池の利用が、代替エネルギー源の重要な候補として注目されている。中でも、色素増感太陽電池（液体接合太陽電池の一種）は、超低コスト材料を組み込んでいるため、特に注目されている。遺憾ながら、固体接合太陽電池および液体接合
太陽電池はいずれも、光生成電荷の移動性が悪いという難点をもつ。例えば、固体太陽電池で使用される材料をその移動度とともに以下に記す。オリゴチオフェン系材料の移動度は０．０３ｃｍ２／Ｖ−ｓ未満であり、フタロシインの移動度は０．０１ｃｍ２／Ｖ−ｓ未満、ペンタセンの移動度は０．６２ｃｍ２／Ｖ−ｓ未満、Ｃ６０の移動度は０．０８ｃｍ２／Ｖ−ｓ未満、ペリレンジイミドの移動度は約１．５×１０−５ｃｍ２／Ｖ−ｓ未満である。イオン電荷は一般に水溶液中で拡散し、その拡散定数は１０−５ｃｍ２／ｓ前後であり、これは１０−４ｃｍ２／Ｖ−ｓ前後の移動度と一致する。上記の材料は、移動度がこのように小さいので、光生成電荷キャリアの移動性が悪く、そのため、利用可能な電圧のかなりの部分を回収支援に使用しなければならず、外部の発電に利用可能な電圧が減少してしまう。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
[0008]本出願に記載の技術は概ね、エネルギー変換セル（例えば、光子エネルギー変換セルや化学エネルギー変換セルなど）内での化学種の移動を変更または調整することに関するものである。一実施形態では、本技術は、光起電力電池や燃料電池などのエネルギー変換セル内での電子、正孔、イオン、励起子、およびラジカル系の電荷もしくはエネルギーの１種または複数種の移動を、光起電力電池における光子吸収体などのエネルギー交換領域から回収領域（例えば陽極または陰極）への移動を支援するようになされた（例えば勾配を付けた）誘電体領域を備えたエネルギー変換装置を設けることによって改善する（例えば増大させる）ことに関するものである。別の実施形態では、本技術は、エネルギー交換領域（例えば光子吸収領域）から回収領域への励起子の移動を実質的に抑制するように調整された（例えば勾配を付けた）誘電体領域を備えることによって、光子エネルギー変換セル内での励起子の移動を抑制することに関するものである。
【０００９】
[0009]本出願の技術はまた、光学的または化学的に生成された帯電エネルギーキャリアおよび非帯電エネルギーキャリアのスピードを増大させ（いくつかの応用例では減少させ）、かつ、それらの動きの方向を制御する助けとなる非電界構造（例えば絶縁構造）に関するものである。光学的または化学的に生成されるエネルギーキャリアは、電子、正孔、イオンなどの帯電化学種ならびに励起子およびラジカル系のエネルギーまたは電荷（例えば励起用の原子および分子）を含む非帯電化学種である。誘電勾配領域などの非電界構造を利用して太陽電池の性能を改善することができ、かつ、この構造を適用して燃料電池内での化学反応のスピードまたは比率（触媒作用を及ぼす）を改善（することができる。さらに、いくつかの実施形態では、この非電界構造を利用して、励起子などの望まれない光生成化学種の動き（すなわち移動）を実質的に抑制することができる。この非電界構造は概ね、少なくとも１つの誘電率に勾配を付けた要素、誘電率を変化させた要素、または誘電率を変動させた要素（例えば、本明細書では、単一ステップ関数変化またはマルチステップ状もしくは波動状の段階的変化を含む）からなるものであり、この要素は１種または複数種の移動化学種と相互作用するものである。理論に拘泥するわけではないが、こうした誘電勾配構造は、電子、正孔、イオン、励起子、およびラジカル系の電荷もしくはエネルギーの１種または複数種の移動を変化させる（例えば、位置および極性方向に基づいて移動を促進または抑制する）と考えられる。
【００１０】
[0010]一態様では、本技術は概ね、移動が改善されたエネルギー変換装置に関するものである。このエネルギー変換装置は、陰極と、第１移動領域と、エネルギー交換領域と、誘電体領域と、第２移動領域と、陽極とを備え、誘電体領域は、陽極または陰極の一方への移動方向に沿って誘電率勾配値が得られるように調整され、それによって、電子、正孔、イオン、励起子、およびラジカル系の電荷もしくはエネルギーの１種または複数種の移動が改善する。いくつかの実施形態では、このエネルギー変換装置は光子エネルギー変換装置であり、そのため、エネルギー交換領域が光子吸収領域であり、そこでは、光子に応
答して電子、正孔、励起子、イオン、またはラジカル系のエネルギーもしくは電荷などの光生成化学種を生成する材料によって光子が受け入れられる。他の実施形態では、このエネルギー変換装置は燃料電池などの化学エネルギー変換装置であり、移動対象の化学種（例えば、電子、正孔、励起子、イオン、またはラジカル系のエネルギーもしくは電荷）が生成されるエネルギー交換領域で化学反応が生じる。
【００１１】
[0011]本技術の上記態様の実施形態は、以下の特徴の１つまたは複数を含む。いくつかの実施形態では、エネルギー交換領域は、第１移動領域の少なくとも一部の中に配置される。誘電体領域は、エネルギー交換領域と第２移動領域の界面に配置することができる。いくつかの実施形態では、誘電体領域は、移動方向に沿って誘電率勾配値が得られる形状の構造を有する。つまり、いくつかの実施形態では、誘電体領域は、例えば複数の隆起部または畝部などの誘電材料成膜構造で形成される。この構造の形状により、誘電体領域内で誘電率に勾配が付けられる。いくつかの実施形態では、誘電体領域は、例えば水などの基材内に配置された１種または複数種の誘電材料の複数の粒子を含む。誘電勾配をさらに調整するために、いくつかの実施形態では、誘電体領域にわたって複数の粒子の濃度を単調に変化させる。いくつかの実施形態では、基材内に配置された複数の粒子のサイズを変化させることによって、誘電勾配を調整する。いくつかの実施形態では、誘電体領域は、誘電率に勾配が付けられるように組成を変化させた誘電材料の層である。本態様によるエネルギー変換セルは、光起電力電池、特に固体または液体接合型の太陽電池などの光子エネルギー変換セルとし得る。この光起電力電池の実施形態の一部はさらに、光子吸収を増大させるためのスペクトル改変領域を含む。このスペクトル改変領域は、第１屈折率を有する複合膜と、第１屈折率と異なる第２屈折率を有する基材とを含む。スペクトル改変領域の複合膜は、基材上に配置され、発光材料およびミクロンサイズのシリコン粒子を含む。他の実施形態では、本技術によるエネルギー変換セルは、燃料電池などの化学エネルギー変換セルである。本実施形態では、電子、イオン、励起子、およびラジカル系の電荷もしくはエネルギーなどの反応化学種の１種または複数種が第１移動領域を介して陰極に向かって移動し、これらの反応化学種は陰極での反応において触媒として働く。いくつかの実施形態では、誘電体領域は、単一の反応化学種の移動に影響を及ぼすように、小さな長さスケールにわたって誘電勾配が設けられるように調整される。例えば、いくつかの実施形態では、誘電体領域は、上記移動方向に約１００Å以下（例えば、５０Å、４０Å、３０Å、２０Å）の長さスケールを有する。いくつかの実施形態では、誘電体領域は、上記移動方向に約１０ｎｍ以上（例えば、２０ｎｍ、４０ｎｍ、５０ｎｍ、１００ｎｍ、２００ｎｍ）の長さスケールを有し、そのため、より大きな反応化学種または反応化学種群の移動がより大きな長さスケールにわたって影響を受ける。いくつかの実施形態は、２つ以上の誘電体領域を含むことを特徴とし、第１誘電体領域は約１００Å以下の長さスケールを有し、第２誘電体領域は１０ｎｍ以上の長さスケールを有する。いくつかの実施形態は、第１移動領域および第２移動領域の少なくとも一方にわたって電界を印加する装置を備えることを特徴とする。
【００１２】
[0012]別の態様では、本技術は、移動が改善されたエネルギー変換装置に関するものである。このエネルギー変換装置は、陰極と、第１移動領域と、第１誘電率を有する基材および第１誘電率よりも小さい第２誘電率を有する第２材料であって基材内に分散されて誘電勾配複合領域を形成する第２材料を含むエネルギー交換領域と、第２移動領域と、陽極とを備える。
【００１３】
[0013]本技術の上記態様の実施形態は、以下の特徴の１つまたは複数を含む。いくつかの実施形態では、エネルギー交換領域は、第１移動領域の少なくとも一部の中に配置される。エネルギー交換領域は、基材内に分散される第２材料として複数の粒子または空隙を含み得る。エネルギー交換領域内の誘電勾配をさらに調整するために、いくつかの実施形態では、その全体にわたって複数の粒子または空隙の濃度を単調に変化させる。いくつか
の実施形態では、エネルギー交換領域にわたって複数の粒子または空隙のサイズを変化させることによって誘電勾配を調整する。基材は、プラスチック半導体、ポリマー半導体、または無機半導体から選択することができる。本態様によるエネルギー変換セルは、光起電力電池、特に固体または液体接合型の太陽電池などの光子エネルギー変換セルとし得る。この光起電力電池の実施形態の一部は、光子吸収を増大させるためのスペクトル改変領域をさらに備える。このスペクトル改変領域は、第１屈折率を有する複合膜と、第１屈折率と異なる第２屈折率を有する基材とを含む。スペクトル改変領域の複合膜は、基材上に配置され、発光材料およびミクロンサイズのシリコン粒子を含む。他の実施形態では、本技術によるエネルギー変換セルは、燃料電池などの化学エネルギー変換セルである。本実施形態では、電子、イオン、励起子、およびラジカル系の電荷またはエネルギーなどの反応化学種の１種または複数種が第１移動領域を介して陰極に向かって移動し、これらの反応化学種は陰極での反応において触媒として働く。いくつかの実施形態では、誘電体領域は、単一の反応化学種の移動に影響を及ぼすように、小さな長さスケールにわたって誘電勾配が設けられるように調整される。例えば、いくつかの実施形態では、誘電体領域は、上記移動方向に約１００Å以下（例えば、５０Å、４０Å、３０Å、２０Å）の長さスケールを有する。いくつかの実施形態では、誘電体領域は、上記移動方向に約１０ｎｍ以上（例えば、２０ｎｍ、４０ｎｍ、５０ｎｍ、１００ｎｍ、２００ｎｍ）の長さスケールを有し、そのため、より大きな反応化学種または反応化学種群の移動がより大きな長さスケールにわたって影響を受ける。いくつかの実施形態は、２つ以上の誘電体領域を含むことを特徴とし、第１誘電体領域は約１００Å以下の長さスケールを有し、第２誘電体領域は１０ｎｍ以上の長さスケールを有する。いくつかの実施形態は、第１移動領域および第２移動領域の少なくとも一方にわたって電界を印加する装置を備えることを特徴とする。
【００１４】
[0014]さらなる態様では、本技術は、励起子の移動が実質的に抑制された光子エネルギー変換装置に関するものである。いくつかの応用例では、励起子が生成される領域からの励起子の移動が望まれない（すなわち、励起子は、その大きなサイズと反応状態のために、ある種の材料に悪影響を及ぼすことがある）。こうした応用例では、光子エネルギー変換装置は、陰極と、第１移動領域と、光子吸収領域と、誘電体領域と、第２移動領域と、陽極とを備え、誘電体領域は、陽極または陰極の一方への移動方向に沿って誘電率勾配値が得られるように調整され、それによって励起子の移動が抑制される。別の実施形態では、この光子エネルギー変換装置は、陰極と、第１移動領域と、第１誘電率を有する基材および第１誘電率よりも小さい第２誘電率を有する第２材料であって基材内に分散されて誘電勾配複合領域を形成する第２材料を含む光子吸収領域と、第２移動領域と、陽極とを備える。
【００１５】
[0015]別の態様では、本技術は、エネルギー変換セル（例えば、エネルギー変換装置）内での移動を改善する方法を対象とする。この方法は、エネルギー変換装置の陽極と陰極の間に少なくとも１つの誘電勾配領域を設けるステップを含み、この少なくとも１つの誘電勾配領域は、所望の帯電した化学種の移動方向に沿って約１０ｎｍ以上の長さスケールを有する。
【００１６】
[0016]本技術の上記態様の実施形態は、以下の特徴の１つまたは複数を含む。いくつかの実施形態では、この方法は、エネルギー変換装置に電界を印加するステップをさらに含む。この方法によって得られる誘電体領域は複数の粒子を含むことができ、誘電勾配領域にわたって粒子の濃度またはサイズを所望の帯電した化学種の移動方向に沿って変化させる。いくつかの実施形態では、誘電体領域は、所望の帯電した化学種の移動方向に沿って約１０ｎｍ以上の長さスケールが得られる構造を形成するように成膜される。いくつかの実施形態は、第２誘電勾配領域を設ける追加のステップを含むことを特徴とする。
【００１７】
[0017]さらなる態様では、本技術は、エネルギー変換装置内での励起子の移動を変化さ
せる方法に関するものである。この方法は、エネルギー変換装置の陽極と陰極の間に少なくとも１つの誘電勾配領域を設けるステップを含み、この少なくとも１つの誘電勾配領域は、所望の励起子の移動方向に沿って約１００Å以下の長さスケールを有する。
【００１８】
[0018]本技術の上記態様の実施形態は、以下の特徴の１つまたは複数を含む。いくつかの実施形態では、この方法によって設けられる誘電勾配領域は複数の粒子を含み、この誘電勾配領域にわたって粒子の濃度またはサイズを所望の励起子の移動方向に沿って変化させる。いくつかの実施形態では、この誘電勾配領域は、所望の励起子の移動方向に沿って１００Å以下の長さスケールが得られる構造を形成するように成膜される。この誘電勾配領域は、励起子の移動を改善するように勾配を付けることができる。他の方法では、この誘電勾配領域は、励起子の移動を実質的に抑制するように勾配を付けることができる。実施形態は、エネルギー変換セル装置に第２誘電勾配領域を設けるステップをさらに含むことも特徴とし得る。
【００１９】
[0019]本出願の技術による変換セル、変換装置、および方法により多くの利点が得られる。１つの利点によれば、非電界構造（例えば誘電勾配領域）により化学種の移動（速度および方向）が変化し、それを利用してエネルギー変換セルまたはエネルギー変換装置の所望の性能を実現する（例えば、化学種の移動速度を改善したり、化学種の移動を抑制したりする）ことができる。本技術の別の利点によれば、固体または液体接合型の太陽電池、特に低コストの色素増感太陽電池の光起電力性能が改善される。
【００２０】
[0020]上記の実施形態、利点、および特徴は、以下の説明および図面を参照することによってよりよく理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
[0021]図面では、同様の参照記号は全図面を通じて概ね同じ部品を指す。また、図面は必ずしも互いに同じスケールで描かれておらず、本開示の原理を示すために強調されている。
【図１】本技術の実施形態によるエネルギー変換セルの実施形態を示す断面図である。
【図２】エネルギー変換セルの別の実施形態を示す断面図である。
【図３】エネルギー変換セルの一部を示す拡大断面図である。
【図４】図１のエネルギー変換セル内の誘電体領域の実施形態を示す断面図である。
【図５】エネルギー変換セル内で使用する誘電体領域の別の実施形態を示す断面図である。
【図６】エネルギー変換セル内で使用する誘電体領域の別の実施形態を示す断面図である。
【図７】エネルギー変換セル内で使用する誘電体領域の別の実施形態を示す断面図である。
【図８】光子エネルギー変換セル内で使用するスペクトル改変領域を示す断面図である。
【図９】電界勾配および誘電勾配の影響下の神経細胞のイオン電流のグラフである。
【図１０】電界装置をさらに備えた図１のエネルギー変換セルを示す断面図である。
【図１１】エネルギー変換セルの別の実施形態を示す断面図である。
【図１２】勾配を付けた誘電体領域内の反応生成化学種を示す断面図である。
【図１３】励起子の移動を実質的に抑制する誘電体領域を備えた光子エネルギー変換セルの実施形態を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
[0022]エネルギー変換セル装置の有効性は一般に、エネルギー交換により生成された（
すなわち、反応により生成された、例えば光により生成されたまたは化学反応により生成された）化学種の回収・反応可能領域（例えば陽極、陰極）への移動性によって制限される。これまで、拡散プロセスおよび／または電界駆動プロセスを利用して、エネルギー交換生成化学種（すなわち反応生成化学種）を陽極または陰極に移動させて発電を行ってきた。本出願の技術は、反応生成化学種（例えば、電子、正孔、イオン、励起子、およびラジカル系の電荷またはエネルギー）の動きに非電界・非拡散プロセスを利用することを対象とする。
【００２３】
[0023]本明細書に記載の技術は、光起電力電池および燃料電池の効率およびその中での移動の改善のみならず、これらの変換セルに使用する比較的低コストすなわち安価な材料の組込みにも適用することができる。例えば、本技術の実施形態によってもたらされる大移動度での移動を実現することにより、高価な単結晶シリコンまたはその他の単結晶半導体の代わりに液体色素などの低コスト光子吸収材料を光起電力電池で効果的に使用することができる。
【００２４】
[0024]以下、図面を参照する。図１に、本技術によるエネルギー変換セル１０の実施形態を示す。エネルギー変換セル１０は、陰極１１、第１移動領域１２、エネルギー交換領域１３、誘電体領域１４、第２移動領域１５、および陽極１６を備える。エネルギー変換セル１０は、エネルギー交換領域１３において開始される反応によって動作する。例えば、光子エネルギー変換セルでは、エネルギー交換領域１３内の材料によって光子が吸収される。吸収された光子は、エネルギー交換領域１３内の材料に十分なエネルギーを供給するので、低エネルギー価電子帯内の電子がより高いエネルギー状態に励起される。次いで、この反応によって生成される電子および正孔は、第１移動領域１２および第２移動領域１５の一方を介して陰極１１または陽極１６に向かって別々に移動する。
【００２５】
[0025]セル１０の陰極１１および陽極１６は、例えばガラス板、透明ポリマーシート、または金属ケースなどの保護カバーの間に挟むことができる。陰極１１および陽極１６は反応生成化学種の回収領域である。つまり、陰極１１は、負に帯電した化学種または特定のタイプのラジカル系エネルギーを引きつけ受け入れるように調整された領域であり、陽極１６は、正に帯電した化学種またはその他のラジカル系エネルギーを引きつけ受け入れるように調整された領域である。反応生成化学種（例えば、電子、正孔、励起子、イオン、ラジカル系の電荷またはエネルギー）はそれぞれ陽極１６または陰極１１に向かって移動し、陽極１６または陰極１１に到達した後は、（ａ）陽極または陰極内に集まり電気回路で利用されるか、（ｂ）陽極または陰極内での反応の触媒として働き、それによって発電が行われる。
【００２６】
[0026]誘電体領域１４は、エネルギー交換領域１３から陽極１１または陰極１６に向かう反応生成化学種の移動を支援するようにセル１０内に配置される。本実施形態では、誘電体領域１４は、エネルギー交換領域１３と第２移動領域１５の界面に配置される。誘電体領域１４は、陽極または陰極の一方への移動方向に沿って誘電率勾配値が得られるように調整された材料を含む。いくつかの実施形態では、この誘電体領域の材料には、電子、正孔、イオン、励起子、およびラジカル系の電荷もしくはエネルギーの１種または複数種の移動を改善するように勾配が付けられている。このような勾配は、単一のステップ関数を用いて誘電率の値に明瞭な段差すなわち変化を設けることによって実現し得る。あるいは、いくつかの実施形態では、複数のステップもしくは波動関数またはその他の連続関数を用いて誘電体領域１４全体にわたって反応生成化学種の移動方向に沿って誘電率の値を段階的または連続的に変化させることによって段階的に勾配を実現してもよい。例えば、第１移動領域１２を介して陰極１１に向かう電子の移動速度を改善すなわち増加させるために、誘電率に勾配を付けてその値を誘電体領域１４を介して陰極１１に向かう方向に増加させる。
【００２７】
[0027]先に論じたように、ある種の太陽電池における反応化学種の移動は、その太陽電池を広く一般に普及させるには劣っており、かなり不十分である。具体的には、導電性プラスチック内での移動度は通常１０−５ｃｍ２／ｖ−ｓのオーダである。液体における拡散度は通常１０−５ｃｍ２／ｓのオーダであり、これは、（アインシュタインの相対移動度＝
【００２８】
【数１】
2012517095.tif 000003
【００２９】
によって）移動度に換算すると〜４×１０−４ｃｍ２／Ｖ−ｓ前後になることを示唆する。上記の値は、結晶シリコンの移動度（＞１００ｃｍ２／Ｖ−ｓ）やアモルファスシリコンの移動度（〜１ｃｍ２／Ｖ−ｓ）と比較すると比較的劣っている。これらの値の影響を推定するために、〜１７ｍＡ／ｃｍ−２（変換効率が〜１０％の妥当な品質のアモルファスシリコン太陽電池の電流）の電流Ｊｓｃを得るのに必要とされる電圧Ｖを考える。Ｊｓｃは
【００３０】
【数２】
2012517095.tif 000004
【００３１】
で表される。式中、Ｎは光生成化学種の密度（ここでは１０１８ｃｍ−２とする）であり、ｄは電荷が移動しなければならない領域の厚さで、ここでは０．５μｍとする。こうすると、移動度を５×１０−５ｃｍ−２／Ｖ−ｓとした場合に必要とされる電流を得るには、電圧は０．１Ｖとなる。したがって、典型的な色素系および／または有機材料系の太陽電池の電圧は〜０．５Ｖに過ぎず、かつ、移動に必要とされるエネルギーも観測される外部電力に寄与し得ないので、約２０％の電力が移動で失われる。
【００３２】
[0028]移動速度を改善するために、本出願の技術では誘電勾配を適用することに注目する。理論に拘泥するわけではないが、エネルギー変換セルにおいて誘電勾配を適用することにより反応生成化学種が移動すると考えられる。具体的には、誘電勾配は、反応生成化学種の移動の方向およびスピードに影響を及ぼすと考えられる。
【００３３】
[0029]分極の程度は、誘電率εおよび自由空間の誘電率ε０として知られる材料の特性によって記述される。これらは、静電気力および静電エネルギーの基本量である。力ベクトルＦおよびエネルギーＥは次式で与えられる。
【００３４】
【数３】
2012517095.tif 000005
【００３５】
式中、ｑ１およびｑ２は相互作用する２つの電荷であり、ｒはこれら２つの電荷を隔てる距離、ｒ’はこれら２つの電荷間の方向を記述する単位ベクトルである。
【００３６】
[0030]単一の電荷（例えば電子的な電荷すなわちイオン）が存在する場合、周囲の媒質の分極に関わるエネルギーはかなりの量になる。いかなる場合でも、（例えば近傍の電荷からの）電界が存在する空間の所与の領域では、分極媒質で満たされるとエネルギーが減少し得る。イオンと電荷が分極により周囲媒質と相互作用することが知られており、この分極が、次式で与えられるイオン電界エネルギーＷを減少させる。
【００３７】
【数４】
2012517095.tif 000006
【００３８】
式中、ε０は自由空間の誘電率であり、ε１は問題にしている媒質の誘電率である。問題にしている領域外の点状の電荷またはイオンによる電界は、この領域が極性媒質または自由空間で満たされる場合には、それぞれ
【００３９】
【数５】
2012517095.tif 000007
【００４０】
または
【００４１】
【数６】
2012517095.tif 000008
【００４２】
で与えられる。したがって、誘電率の勾配により、変位ｘについて式３の導関数によって定義されるエネルギー勾配（すなわち力）は次式で与えられる。
【００４３】
【数７】
2012517095.tif 000009
【００４４】
[0031]ε０＞＞ε１であり、かつ、唯一の電界が点状の電荷および／またはイオンによる電界であり、それが問題にしているイオンから外向きに放射される場合、式４は以下のように記述される。
【００４５】
【数８】
2012517095.tif 000010
【００４６】
式中、ａは最小半径（イオンの最小半径）であり、ｒは隣のイオンに至る前の途中の距離とみなし得る。式５から、誘電率
【００４７】
【数９】
2012517095.tif 000011
【００４８】
勾配により力が生じることがわかる。
【００４９】
[0032]その結果、（例えば媒質の変動による）誘電率勾配により、太陽電池やその他の装置およびプロセスにおける移動支援として利用し得る推進力が電荷およびイオンに与え
られる。
【００５０】
[0033]帯電した要素と同様、中性の要素も誘電率勾配から推進力を受けることがある。結合した電子と正孔である励起子も、中性ではあるが、誘電勾配から推進力を受けることに特に留意されたい。まず、励起子のエネルギーを既知の形式で記述すると以下のようになる。
【００５１】
【数１０】
2012517095.tif 000012
【００５２】
式中、Ｍｒは電子正孔対の減少した質量であり、ｍは電子のもつ残りの質量、ＥＨは水素原子のエネルギーで〜１３．６ｅＶ、ｎはエネルギーレベル指数でｎ＝１，２，３．．．である。誘電勾配によって誘起されるエネルギーの変化を調べると次のようになる。
【００５３】
【数１１】
2012517095.tif 000013
【００５４】
[0034]上記のことから、色素分子内（または他の分子系内、ならびに／または分子間、ならびに／または固体および／もしくは第２の分子系および／もしくは液体および／もしくは気体への界面）での移動は、局所的な誘電勾配によって著しく影響を受け得ることがわかる。式７による移動方向はエネルギーが減少する方向であり、したがって、誘電率が増加する方向である。この誘電力は、誘電率の３乗に反比例し、かつ、誘電率勾配に比例する。そのため、この力は、開始点で誘電率が小さいステップ勾配のとき最大になる。
【００５５】
[0035]励起子の軌道半径も重要な因子である。軌道が大きくなると、（例えば太陽電池の実施形態では）電子の界面への移動確率、または（クロロフィルを使用する光子エネルギー変換セルの場合のように）原子反応物もしくは分子反応物への移動確率が大きくなる。重要なのは、誘電率が大きくなると励起子の軌道が大きくなることである。したがって、励起子は誘電勾配によって高誘電領域に向かって引き寄せられるだけでなく、誘電勾配が進むにつれ移動（または反応）の確率も増大する。誘電率とボーアの公称励起子軌道半径ｒＢとの関係は次式で与えられる。
【００５６】
【数１２】
2012517095.tif 000014
【００５７】
式中、ｍ＊は減少した質量である。励起子の軌道半径は大きな値（例えば４２Å）になることがあり、誘電率が大きくなると直線的に大きくなることに留意されたい。
【００５８】
[0036]色素やその他の分子内の励起子も、古典的な水素様の状態になることとならないことがあるが、クーロン引力で結合した電子−正孔対様の状態になることのほうが多く、ただしこの場合、互いに古典的な軌道に従わないことがある。この場合、励起子は分子の領域付近へマイグレーションする。そのときのスピードは、この対の最も遅い電荷化学種のスピードである。いずれの場合にも、環境的な誘電勾配を確立し、改変した色素（または他の光吸収構造）を使用して誘電勾配を設けると、移動および／または太陽電池の性能に有利に働く。
【００５９】
[0037]分子は独特の形状を有し、多くの場合、線形であるので、電子と正孔の間に作用する力が分子の境界の外側の領域を横切る場合が多く、それによって、環境および環境的な誘電率が、クーロン引力に、したがって帯電した対における化学種間の距離に影響を及ぼす。
【００６０】
[0038]上記で論じた理論からわかるように、エネルギー変換セル内で使用する誘電勾配領域により、この領域を通過する反応生成化学種の移動方向および移動速度が変化する。本技術の実施形態では、エネルギー変換セル内に１つまたは複数の誘電勾配領域を組み込むか、または設けることによって、化学種の移動の効率を改善することができる。そのため、エネルギー変換セル１０の（図１に示す）エネルギー交換領域１３に比較的低コストの材料を用いることができ、それによって、いくつかの応用例（例えば光子エネルギー変換）の商業的な実現可能性がより大きくなる。別の実施形態では、光子エネルギー変換セルに組み込んだ誘電勾配領域では、励起子の移動方向に沿って誘電勾配を小さくするので、励起子の移動を遅くすることができ、それによって、励起子−材料の相互作用の不要なまたは望まれない結果を有効に阻止することができる。
【００６１】
[0039]図１に示すエネルギー変換セル１０に誘電体領域１４を組み込むことによって、比較的低コストの材料を用いてエネルギーを生成することができ、そのため、代替エネルギーの商業的な実現可能性がより大きくなる。例えば、誘電体領域１４を色素増感太陽電池で使用することができる。この実施形態では、エネルギー交換領域１３（光子吸収領域）はアントシアニン系色素などの液体色素を含み得る。色素によって吸収される光子が色素材料を励起し、その結果、励起子（電子−正孔対）が生成される。交換領域１３に隣接して配置される誘電体領域１４は、誘電的勾配複合体で形成される。この実施形態では、誘電体領域は、内部に複数のガラス粒子が入った水基材からなる。ガラス粒子の濃度は、誘電率に勾配が付けられて誘電体領域１４から陰極１１に向かって延びる方向に誘電率が徐々に増加するように誘電体領域にわたって単調に変化させる。誘電率に勾配が付けられた誘電体領域１４により、エネルギー交換領域１３から離れて（本実施形態ではＴｉＯ２粒子で形成される）第１移動領域１２に入り陰極１１に向かう電子の移動を支援する推進力が生じる。光子反応において後に残った正孔は、（本実施形態ではヨウ素複合体含有電解質で形成される）第２移動領域１５からの電子で埋められることになる。そのため、この正孔は、第２移動領域１５を介して陽極１６に向かって移動する。
【００６２】
[0040]エネルギー変換セル１０の誘電体領域１４は、他のタイプの太陽電池と組み合わせて使用することもできる。例えば、エネルギー交換領域は、例えば半導体性の固体または液体などの別のタイプの光子吸収材料で形成してもよい。こうした半導体性の固体または液体は、約０．５ｅＶ〜約３ｅＶの禁止帯幅を有する。半導体性の固体のいくつかの例には、シリコン、ゲルマニウムなどの元素材料、Ｓｉ−Ｇｅなどの合金、オリゴチオフェン系、フタロシイン系、およびペンタセン系の材料などのポリマー、ならびにクロロフィルなどの有機材料があるが、これらに限定されるものではない。
【００６３】
[0041]さらに、誘電体領域は、燃料電池などの化学エネルギー変換セルと組み合わせて使用することもできる。このような実施形態の１つでは、誘電体領域１４は、それぞれ導電ポリマー膜で形成され、内部に複数のＴｉＯ２粒子が分散した第１移動領域１２および第２移動領域１５内に配置される。これらのＴｉＯ２粒子により、ポリマー膜には誘電勾配機能が付与される（すなわち、誘電勾配が得られるようにＴｉＯ２粒子を組み込むことができる）。陰極１１、エネルギー交換領域１３、および陽極１６はそれぞれ、プラチナなどの触媒表面で形成される。
【００６４】
[0042]上記の燃料電池の実施形態では、陽極が、例えば水素などの反応物燃料から電子を分離する。これらの電子は移動領域１２、１５を通過することができずに集められ、外
部表面を通過させられる。イオン（または水素燃料電池の実施形態では陽子）は、誘電体ＴｉＯ２粒子を含む第２移動領域１５を通過する。これらのＴｉＯ２粒子は移動方向に沿って誘電強度が大きくなるように勾配が付けられており、そのため移動速度が大きくなっている。陽子は第２移動領域１５を介して移動し、エネルギー交換領域１３／陰極１１に至り、そこで、陽子は別の触媒表面に当たる。ここで、外部回路から戻された電子は、燃料（例えば水素）および酸化剤（例えば酸素）と混合され水が形成される。外部回路を移動する電子から電力が得られる。
【００６５】
[0043]燃料電池のいくつかの実施形態では、１つ（または複数）の誘電体領域は、移動領域と組み合わされる代わりに、またはそれに加えて、陽極上および陰極上の層または被膜として配置され、それによって、電子交換領域で支援が行われる。これらの誘電体被膜は一般に（例えば５０よりも大きい）高誘電率を有する。
【００６６】
[0044]図１では、エネルギー変換セルに誘電体領域１４を組み込んだ実施形態を示したが、他の実施形態も可能である。例えば、エネルギー交換領域１３（すなわち、セル内で反応が開始する領域、例えば太陽電池内の光子吸収領域または燃料電池内の初期化学反応領域）は、図１の実施形態で示すように移動領域から離す必要はない。そうではなく、図２に示すエネルギー変換セル１００の第１移動領域１０２にまたはその一部にエネルギー交換領域１０３を組み込む（すなわち第１移動領域１０２またはその一部全体にわたって分散させる）ことができる。その代わりに、またはそれに加えて、第２移動領域１０５またはその一部にエネルギー交換領域１０３を組み込むことができる。
【００６７】
[0045]いくつかの実施形態では、領域の構造の形で誘電勾配を含むように誘電体領域１４を形成することができる。例えば、図３に示すように、成膜中に誘電体領域３０４を形成する。ここで、誘電体領域３０４は、変換セル１０の一部においてエネルギー交換領域１３と第２移動領域１５の界面に沿って複数の（図示の）隆起部または（図示しない）畝部を含む構造が得られるように形成する。誘電材料で形成されたこれら複数の隆起部または畝部により、この領域の幅にわたって含まれる誘電材料の量が変化し、それによって、誘電体領域３０４内で化学種が移動する方向に沿って誘電率に勾配が付けられる。この構造は、リソグラフィもしくはパターンニング、押出し加工、またはその他の成膜プロセスを利用して形成することができる。
【００６８】
[0046]いくつかの実施形態では、誘電体領域１４の組成または構成を変化させて誘電勾配を形成する。例えば、図４に、誘電体領域１４が基材４０２内に複数の粒子４０３を含むエネルギー変換セルの実施形態を示す。粒子４０３および基材４０２はそれぞれ異なる誘電率を有し、その結果、誘電体領域１４内の位置に応じて誘電率が変化する。さらに、複数の粒子４０３は、それぞれ異なる材料の粒子とすることができる。例えば、粒子４０３の組成は、誘電体領域１４にわたって変化させることができる。図４に示すように、誘電体領域１４の第１区域は誘電率εａを有する材料で形成された粒子４０３ａを含み、第２区域は誘電率εｂを有する材料で形成された粒子４０３ｂを含み、第３区域は誘電率εｃを有する材料で形成された粒子４０３ｃを含み、第４区域は誘電率εｄを有する材料で形成された粒子４０３ｄを含む。εａ＜εｂ＜εｃ＜εｄとなるように粒子４０３ａ、４０３ｂ、４０３ｃ、および４０３ｄの誘電材料を選択することによって、誘電体領域１４が所望の誘電勾配をもつように（例えば、誘電体領域１４の第１区域から第４区域への方向に誘電率が増加するように）調整することができる。
【００６９】
[0047]誘電体領域１４内のこれら複数の粒子は、その濃度を誘電体領域にわたって単調に変化させ、それによって誘電勾配を形成することもできる。例えば、図５に、基材５０２にわたって誘電体粒子５０３の濃度（すなわち単位体積当たりの数）を変化させて勾配を設ける実施形態を示す。この例では、誘電体領域５０１の上部５０５から誘電体領域５
０１の底部５０６に向かって誘電率が増加する。
【００７０】
[0048]別の実施形態では、複数の粒子のサイズを単調に変化させて誘電勾配を形成することができる。例えば、図６に、誘電体領域６０１の上部６０５から誘電体領域の底部６０６に向かって粒子のサイズが増加する実施形態を示す。その結果、上部６０５から底部６０６まで、粒子に含まれる誘電材料の量が単位体積当たり増加し、それによって勾配が得られる。
【００７１】
[0049]誘電体領域１４は、勾配を付けた材料層（例えば、図７に示すように、誘電体領域７０１内の第１箇所７０２ａから箇所７０２ｂおよび７０２ｃを通り、例えば最終箇所７０２ｄまで誘電率の値が変化する誘電材料層）、勾配が得られるように形成された誘電材料の構造を含む領域（例えば、図３に示す複数の隆起部または畝部）、または基材もしくは組み込まれる材料（例えば、図４〜６に示す複数の粒子）の濃度を単調に変化させた複合材料として形成することができる。他の実施形態も可能である。誘電材料は、少なくとも約１の誘電率を有する任意のタイプの材料（例えば固体、液体、気体）で形成することができる。誘電材料のいくつかの例には、水、空気、蝋、ガラス、セラミックが含まれる。特に、水基材に入れたガラスビーズ粒子を使用して誘電体領域１４を形成することができる。
【００７２】
[0050]反応生成化学種は誘電勾配の長さスケールにしたがって移動する。長さスケールが小さい（例えば、１００Å未満であり典型的には約１０〜５０Åの範囲）と、個々の分子または個々の材料粒の中での移動が起こる。このサイズスケールで影響を及ぼす誘電勾配の場合、誘電体構造はこれに類似のサイズスケールを有するべきである（すなわち、十分に小さく、かつ、約１０〜５０Åにわたって誘電強度の増加または減少が顕著になる程度に勾配ステップを十分に小さくする）。
【００７３】
[0051]図１２に、分子スケールの誘電勾配を形成したところを示す。この誘電勾配は、残りの環境部分と異なる誘電強度を有する小さなサイズの構造またはステップを追加することにより形成することができる。例えば、誘電材料１２０２で形成された誘電体領域１２０１において、誘電体領域の底部１２０４と上部１２０３の間の誘電強度または誘電率に、ある長さスケールで勾配を付け（すなわちステップ状にして）、それによって、分子１２０５内の単一の反応生成化学種１２０６に影響を及ぼすことができる。具体的には、分子１２０５と同じまたは類似のサイズスケールで誘電強度が変化するように誘電材料１２０２に勾配を付けると、この誘電勾配により、化学種の移動は著しい影響を受けることになる。そのため、この場合には、約５〜５０Åの分子サイズに対して、誘電勾配のステップサイズまたは長さスケールを約１０〜１００Å（例えば、１０〜５０Å、２０〜４０Å）にする。
【００７４】
[0052]上記のように長さスケールが小さいと、単一のまたは限られた数の反応生成化学種の移動を変化させるのに有効である。励起子の移動を変化させることも有用である。なぜならば、励起子は分子または単一の材料粒から離れたときに解離すると考えられるからである。しかし、誘電勾配の長さスケールは、一群または一団の反応生成化学種の移動に影響を及ぼす程度に大きな長さスケールまで大きくしてもよい。この場合、これら反応生成化学種の組合せサイズスケールは、単一ユニットのものとみなせる。つまり、多数の化学種が、周囲の環境における類似のサイズの誘電勾配によって一緒に移動することになる。そのため、一団または一群の反応生成化学種の移動に著しい影響を及ぼすには、誘電勾配の長さスケールを約１０ｎｍ（例えば２０ｎｍ、３０ｎｍ、４０ｎｍ、５０ｎｍ、１００ｎｍ、２００ｎｍ）のオーダとする。
【００７５】
[0053]エネルギー変換セルの応用例によっては、２つ以上の誘電体領域を備えたセルを
提供すると有利なことがある。例えば、変換セル１０内でエネルギー交換領域１３と第２移動領域１５の間に誘電体領域１４を１つだけ配置するのではなく、２つの誘電体領域を設けることができる。具体的には、エネルギー交換領域１３と第２移動領域１５の間に配置した第１誘電体領域に、エネルギー交換領域１３と第１移動領域１２の間に配置した第２誘電体領域をさらに追加することができる。可能な別の実施形態では、１００Å未満の長さスケールで誘電勾配を有する第１誘電体領域も、１０ｎｍ以上の長さスケールで誘電勾配を有する第２誘電体領域とともに単一のエネルギー変換セル内に設ける。誘電体領域を設ける場所を変えたり、誘電体領域の数を他の値にしたりすることも可能である。
【００７６】
[0054]効率および移動をさらに支援するために、追加の要素または任意選択の要素を導入して発電を強化してもよい。例えば、光子エネルギー変換セルの場合、セル１０の１つまたは複数の領域にスペクトル改変領域を組み込んでもよい。スペクトル改変領域は、光子エネルギー変換セルの一領域または一区域であって、その内部の材料が未使用の長波長光を使用可能な短波長光に変換して著しく性能を向上させ発電を実現する領域である。スペクトル改変領域の例が、「Ｓｏｌａｒ  Ｃｅｌｌ（太陽電池）」という名称の米国特許出願第１２／１７５，２０８号に記載されており、ＵＳ２００９００５０２０１号として公開されている。ここにこの開示全体を参照により本明細書に組み込む。図８に示す一実施形態では、スペクトル改変領域８０１は、基材または基板材料８０２と、基材８０２上に配置された複合膜８０３とを含む。複合膜８０３は、１種または複数種の発光材料（例えば、イットリウム、エルビウム、レニウム、およびハフニウム）および複数のミクロンサイズのシリコン粒子８０４で形成される。この基材には任意の光透過性材料すなわち光に対して透明な材料を選択し得るが、基材８０２と複合膜８０３がそれぞれ異なる屈折率をもつように材料の組合せを選択しなければならない。基材８０２と複合膜８０３の屈折率に差があると、長波長光から短波長光への変換を、エネルギー交換領域１３に対してより有用にする助けになる。光子エネルギー変換セル装置に入射する光のより多くの部分を、エネルギー交換領域１３による光子吸収により貢献する波長に変換することによって、反応化学種の移動性を高めることができる。スペクトル改変領域８０１は、光起電力電池のいずれの場所にも配置し得る。特に、いくつかの実施形態では、図１に示す陰極１１または陽極１２の外側のガラスシートまたはその他の保護ケース内にスペクトル改変層を配置する。他の実施形態では、陰極１１とエネルギー交換領域１３の間にスペクトル改変層を配置する。
【００７７】
[0055]いくつかの実施形態では、エネルギー変換セル１０に電界を印加して効率を高める装置を特に設けてもよい。電荷（例えば電子および正孔）およびイオンの場合には、電界勾配（電位勾配）および誘電率勾配が同時に作用する状況を作り出すことが可能である。２つの場を同時に用いて移動させると、電界のみによる移動よりもはるかに高速になり得る。
【００７８】
[0056]遺憾ながら、電位勾配と誘電勾配の組合せは、励起子の移動には適用できない。励起子は、電荷やイオンと異なり帯電しないため、電界勾配では励起子に推進力が働かない。
【００７９】
[0057]電界勾配と誘電率勾配を組み合わせると、エネルギー変換セル内で電荷の形状が改善され、かつ、イオンが移動すると考えられる。以下、このことをより詳細に説明する。
【００８０】
[0058]電界および第２のエネルギーのタイプの場∇Φの存在下での帯電したキャリアの移動度は次式で与えられる。
【００８１】
【数１３】
2012517095.tif 000015
【００８２】
式中、ｎｐは問題にしているイオンまたは電荷のキャリアの密度である。式から明らかなように、第２のエネルギーのタイプでの濃度勾配およびｋＴと濃度ｎｐの勾配との積の和が小さい場合、移動度が大きくなり、それによって電荷の流れが著しく増加する。図９に、神経細胞における電流の計算値のグラフを示す。印加電圧（または対応するイオン濃度勾配、両者はネルストの式によって関係付けられるため）が特定の値、この場合〜０．１Ｖになると、移動が極めて高速になるとともにコンダクタンスが大きくなり、その結果、抵抗が小さくなることに留意されたい。電荷を移動させるのに必要とされる印加電圧が極めて小さくなるのは、その印加電圧（または印加濃度勾配）により対応するエネルギー勾配ＫＴ∇ｌｎ（ｎｐ）が生じ、この勾配が式９の分母の他の項、すなわち第２のエネルギーの勾配の項と相殺する場合である。
【００８３】
[0059]この非電界勾配と式４の静電エネルギー勾配を等しく置くと（∇Φ≡∇Ｗ）、誘電勾配が電荷キャリアおよび／またはイオンの移動度にどのように影響を及ぼし得るかが説明される。次いで、移動度から移動スピードが決まる（キャリア速度は移動度と電界の積であるため
【００８４】
【数１４】
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【００８５】
）。
【００８６】
[0060]その結果、移動スピードは、エネルギー変換セル装置内の誘電体領域と組み合わせて電界装置を使用することによってさらに最適化され得る。例えば、図１０に示すように、電界装置１７を設けて、第１移動領域１２および第２移動領域１５の少なくとも一方にわたって電界をかけることができる。電界装置１７はエネルギー変換セル１０の外部装置とし、エネルギー変換セル１０に電界を印加させてもよいし、あるいは、電界装置１７は、セル１０の領域１２、１３、１４または１５の１つまたは複数の中の構造としてもよい。電界をかける構造の例として、ホウ素原子を第１移動領域１２に組み込むとともに、ヒ素原子を第２移動領域１５に組み込むことが挙げられる。
【００８７】
[0061]図１、２、および１０に示す実施形態では、エネルギー変換セル１０は、誘電体領域とは別のエネルギー交換領域を備える。しかし、エネルギー交換機能と誘電勾配機能を組み合わせた単一の領域を設けることが可能である。例えば、図１１を参照して、エネルギー変換セル９００は、陰極９０１、第１移動領域９０２、エネルギー交換領域９０３、第２移動領域９０４、および陽極９０５を備える。エネルギー交換領域９０３は、基材９０６およびこの基材内に分散された第２材料９０７を含む。エネルギー交換機能は基材９０６により実現される。つまり、基材９０６は、光子エネルギー変換装置（例えば、固体単結晶半導体、固体プラスチック半導体、ポリマー半導体、無機半導体、または液体半導体）内で光子と反応して反応化学種を生成する材料、または燃料電池内（例えば触媒表面）で所望の反応を開始し得る材料である。基材９０６は、第２材料９０７とは異なる誘電率を有する。基材９０６に第２材料９０７を組み込むことにより、誘電勾配を形成することができる。
【００８８】
[0062]いくつかの実施形態では、基材９０６と異なる材料の複数の粒子を含ませること
によって第２材料９０７が組み込まれる。他の実施形態では、基材９０６内に複数の空隙（例えば空気の泡）を含ませることによって第２材料９０７が組み込まれる。エネルギー交換領域９０３内の誘電勾配は、異なる誘電材料の粒子を含ませるか、この領域にわたって粒子の濃度を単調に変化させるか、領域９０３にわたって粒子のサイズを単調に変化させるか、または、これらを任意に組み合わせることによってさらに調整することができる。
【００８９】
[0063]場合によっては、望まれないエネルギー交換をなくすために、励起子の移動を抑制することが重要である。例えば、日焼け止めローションでは、酸化亜鉛または酸化チタンの粒子を使用して有害な紫外光を吸収することが望ましい。これらの粒子は、かつて日焼け止めローションの構成物質として一般的なものであった。酸化亜鉛または酸化チタン（または他の材料）に紫外線光子が吸収されると、多くの場合励起子が形成されることが知られている。その後で励起子が解離すると、高エネルギー電子（励起子の一部）が周囲環境の生物分子に移動して損傷（例えば皮膚損傷）を与えることがある。
【００９０】
[0064]酸化亜鉛または酸化チタンの粒子に低誘電率被膜を塗布すると、被膜の誘電率が環境（すなわち組織）の誘電率よりもかなり小さく、かつ、酸化粒子（すなわち、酸化亜鉛、酸化チタンまたはその他の紫外光を吸収する粒子もしくは構造）の誘電率よりもかなり小さいので、励起子（またはその解離した化学種）の移動を実質的に抑制またはなくすことができる。励起子および／または励起子の軌道は、周囲の酸化粒子と誘電強度が等しいかそれよりも大きい環境に向かって誘電強度がより小さい環境に入ることはない。
【００９１】
[0065]図１３を参照すると、勾配を付けた誘電材料で形成される誘電体領域１３０１を設けて光子吸収粒子１３０２（すなわち光子吸収領域）を囲むことによって、励起子１３０６が動いて、または移動して粒子１３０２から離れたり、周囲環境１３０７（すなわち、組織およびタンパク質またはその中の他の生物構造が、対応する第１移動領域および陰極である）に入ったりすることを妨げる。この例では、粒子１３０２は、光子吸収領域として、かつ、光子エネルギー変換セルの第２移動領域および陽極として働く。
【００９２】
[0066]粒子１３０２よりも（かつ、周囲の組織環境よりも）誘電強度が小さく、誘電勾配が約１００Å未満（例えば、６０Å、５０Å、４０Å）である誘電体領域１３０１を適用すると、移動が抑制される。つまり、勾配を付けた誘電材料の長さスケールは１００Å以下のオーダであり、それによって、励起子または解離化学種は粒子からの移動を抑制される。誘電体領域１３０１には、単一ステップで（すなわち、誘電体領域の厚さが１００Å未満のオーダである）勾配を付けることもできるし、誘電体領域１３０１に複数ステップで（すなわち、各ステップが１００Å未満）勾配を付けることもできる。
【００９３】
[0067]一実施形態では、日焼け止めローションに使用する（誘電率が約１４〜１４００の）酸化チタン粒子に、（誘電率が約２〜３の）カルナウバ蝋層を５０Åの厚さに被覆する。このようにカルナウバ蝋を塗布すると、光子反応生成化学種がチタン粒子から出たり、人体組織などの（誘電率が約７５の）水性環境に入ったりすることを抑制するのに有効である。
【００９４】
[0068]装置を提供することに加えて、ここで開示する技術は、エネルギー変換装置内の反応化学種の移動を改善または変化させる方法を提供することを対象とする。これらの方法は、少なくとも１つの誘電勾配領域を備えた電子変換セル装置を提供するステップを含む。この少なくとも１つの誘電勾配領域は、所望の反応化学種の移動に適した長さスケールを有する。例えば、励起子は一般に、分子から離れると解離する傾向がある。そのため、重要な長さスケールは１００Å以下のオーダ（すなわち、一つの分子サイズ、小型の粒または粒子のサイズ）になる。誘電体領域を含むことによって励起子の移動が変化または
改善される実施形態では、誘電体領域の長さスケールは約１００Å以下（例えば、１００Å、７５Å、５０Å、４０Å、３０Å、２０Å、１０Å）である。この実施形態では、誘電勾配は、予想される移動の環境に対応する小さな長さスケールを有し、そのため、励起子の移動と同じサイズスケールにわたって誘電強度が著しく増加または減少する。
【００９５】
[0069]別の実施形態では、励起子（すなわち、一群または一団の電子、正孔、またはイオン）よりも長い移動距離の構造を有する反応化学種の移動を改善することを対象とする方法が提供される。この方法では、励起子の移動を変化させるのに用いられる長さスケールよりも、長さスケールを大きくすることができる。サイズがより大きいことや、誘電強度がこれらの化学種に影響を及ぼすことにより、これらの化学種はより長い距離を移動することができ、そのため、誘電勾配の長さスケールを大きくすることができる。一般に、長さスケールが約１０ｎｍ以上（例えば、２０ｎｍ、３０ｎｍ、４０ｎｍ、５０ｎｍ、６０ｎｍ）になると、こうした比較的大きいサイズの反応化学種の移動の方向およびスピードが変化または改善される。
【００９６】
[0070]上記の方法を組み合わせて適用することにより、２つ以上の誘電体領域を有する装置が製作することができる。これら２つ以上の誘電体領域は、第１誘電体領域が励起子の移動を変化させるように設計されかつ設けられるか、または、第２誘電体領域がより長い距離を移動する他の反応化学種の移動を変化させるように設計されかつ設けられる。
【００９７】
[0071]上記の方法を誘電体領域の形状や組成によってさらに最適化することができる（例えば、複数の隆起部や畝部などの形状の構造が形成されるように誘電体領域を成膜することもできるし、組み込む誘電材料の組成、濃度、およびサイズを様々に変えることによって特定の勾配が形成されるように誘電体領域を成膜することもできる）。いくつかの方法では、誘電勾配を有する誘電体領域を設けて帯電した化学種の移動を支援することに加えて、電界を印加することができる。
【実施例】
【００９８】
[0072]
[0073]以下の実施例は、本開示の特定の実施形態の実施および利点を示すことのみを意図しており、包括的な本開示の範囲を制限するためのものではない。
【００９９】
[0074]対照用太陽電池および本開示による誘電体領域を含む太陽電池をアントシアニン系の色素増感太陽電池の構造に基づいて用意した（対照用太陽電池は典型的または一般的なアントシアニン系の色素増感太陽電池であり、本技術による電池は誘電体領域をさらに含むものであった）。太陽光を太陽電池の電極側に入射させた。炭素含有対向電極を使用した。研磨に通常使用される材料であるナノ粒子アルミナを用いて勾配を付けた誘電層を用意した。
【０１００】
[0075]試験は、模擬ＡＭ１．５太陽光スペクトル下の室温で実施した。誘電体領域を含むアントシアニン系の太陽電池から収集したデータから、電流が減少しても太陽電池の電圧が増加したことがわかる。ここで、電流の減少は、不透明なナノ粒子アルミナが利用可能な光の一部を吸収したことによるものであった。表１に、勾配型太陽電池から得られたデータと、勾配層がない対照用太陽電池との比較を示す。
【０１０１】
【表１】
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【０１０２】
[0076]上記の比較データは、誘電体領域により、従来の色素系太陽電池に対して電圧出力が著しく改善されることを示している。
【０１０３】
[0077]特定の実施形態を参照して本技術を具体的に示し説明してきたが、下記の特許請求の範囲で定義した本発明の要旨および範囲から逸脱することなく、これらの実施形態の形態および細部に様々な変更を加えることができることが当業者には理解されよう。
【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】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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