特 集 自立型 MEMS センサネットワークを活用した省エネルギーの取り組み─4

室内照明による高効率環境発電デバイスと自立電源の開発

奥良彰
ローム（株）

エナジーハーベスタ，色素増感型太陽電池（DSC），自立電源，無線センサネットワーク

1．はじめに今後，普及が見込まれる無線センサネットワークにおいて，本格的な普及への大きなボトルネックとなるのが各センサ・通信ノードへの電力供給である。現在の有線電力供されるシンプルな構造である。入射光側の基板の電極は透明電極である必要があるが，もう一方の基板の電極も透明電極であればシースルーカラーを呈する DSC を形成することが可能となる。
図 2 は DSC の等価回路であり，ここで注目すべきは直給，電池駆動に替えて，周囲の環境から電力を生み出すエ列抵抗（Rs）とシャント抵抗（Rsh）であり，これらによナジーハーベスティング（Energy Harvesting：EH）デバって光発電特性がどのように変わるかを発電時の電流密度

イスを電力源として用いることができれば，メンテナンス（J）−電圧（V）特性によって以下に説明する。ちなみにフリーな永続的駆動が可能となるだけでなく，電源工事がRsh は光発電デバイスのリークのしやすさ（逆電流の流れ不要となり，煩わしさや工事費用が低減され，大きく普及やすさ）を示す。

することが期待できる。屋内の微弱な照明下でも効率よく

図 3 は発電特性を示す J-V グラフであるが，x 切片を開発蓄電できる自立電源モジュールを開発し，これによる永続的なセンサと無線送信の駆動を実現する。具体的には本デバイス構造

グリーンセンサネットワーク・システム技術開発プロジェ

透明導電膜基板

ナノポーラス Tio2

クトで開発されるグリーンセンサにより中小オフィスの省エネ化を達成するための無線センサネットワークへの電源封止材供給を実現する超小型高効率屋内用自立電源を開発する。

2．屋内用高効率環境発電デバイスの開発
Tio2 粒子状態

入射光

2.1

色素分子環境発電デバイス

EH 技術には光，振動，温度差，電磁波を利用する技術のほか，生体の化学反応を利用するものまであり，対象とTio2

数 10nm

電解液なるエネルギー源はさらに広がりつつある。一方，無線センサネットワークに用いられる，センサ・マイコン・無線通信の各種デバイスの消費電力は年々低減しており，EHPt 対極電極
ナノポーラス Tio2 構造で色素吸着率が増加

デバイスで駆動可能なアプリケーションは今後，さらに広がってくることが予測される。

図1

DSC のデバイス構造図

EH デバイスの中でも色素増感太陽電池（Dye-sensitized＝ ph− d− shSolar Cell：DSC）は，室内光下での発電量が大きく，カSラフルかつシースルー化が可能で意匠性に優れる特徴を有している。室内用途としての DSC の高効率化には微弱なph室内照明エネルギーのロスを極限まで抑制しなければならない。その為には DSC セルのロスをいかに低減するかがポイントになる。

shdsh＋S光

図 1 に DSC のデバイス断面構造図を示す。2 枚の電極付基板，色素分子を吸着させた比表面積の非常に大きなナ，電解液と封止材から構成
ノポーラス酸化チタン（TiO2）
214© 2013 The Institute of Electrical Engineers of Japan.

図2

光発電デバイスの等価回路

IEEJ Journal, Vol.133 No.4, 2013

自立型 MEMS センサネットワークを活用した省エネルギーの取り組み─4変化時（ sh 一定）

sh＝0SS大sh

電圧

図30.40.20電圧

照度
実線： 100
鎖線： 101 730

8003700

図45電圧（a.u.）

100. 020
0. 0150. 0100. 005oc

光発電デバイスの発電特性の R s，R sh 依存性

0.80.6＝∞

小oc

電流密度（a.u.）

電流密度（a.u.）

1.0sh80
実線： 10070
鎖線： 101sun
60（疑似太陽光）50
40
0 . 4 sun30（疑似太陽光の 40％の光強度）
20100051015電圧（a.u.）

0 . 580 . 56
0 . 54
0 . 520 . 50

R sh 依存性

0.7
0.60.5放端電圧（Voc），y 切片を短絡電流密度（Jsc）と呼び，曲FF ＝ Pmax /（Jsc × Voc）の関係式で与えられる。発電特性

123
逆電流ブロック層形成処理回数0.8

屋内光下（左）と太陽光下（右）での光発電特性の線の形状因子は FF と呼ばれ，最大出力を Pmax とすると，

123
逆電流ブロック層形成処理回数

0 . 60
解放端電圧（ oc）（V）

電流密度sc1.2

変化時（ S 一定）

形状因子（FF）

S

短絡電流密度（ sc）（mA/cm2）

室内照明による高効率環境発電デバイスと自立電源の開発

123
逆電流ブロック層形成処理回数

図 5 J sc，V oc，FF の逆電流ブロック層形成処理回数依存性（N＝2）

を向上させるには，Voc，Jsc，FF をそれぞれ大きくする必要がある。
例えば，図 3 の左側のグラフが示すように，Rsh が一定

液処理を施し，蛍光灯 200 ルクス環境下での Jsc，Voc およ値の場合，Rs が 0 から大きくなるほど，Jsc と FF が小さび FF の処理回数依存性を評価した結果が図 5 である。処くなることが分かる。一方，図 3 の右側のグラフが示すよ

理回数とともに，Jsc を変化させることなく，Voc およびうに，Rs が一定値の場合，Rsh が無限大から小さくなるほFF が増大しており，これは図 3 の右側のグラフでの Rs

ど，Voc と FF が小さくなることが分かる。つまり，直列一定において，Rsh を増大させた結果と符合する。

抵抗低減とシャント抵抗増大（リーク低減）が Voc，Jsc および FF 改善の鍵である。
さらに，直列抵抗（Rs）が一定の場合，室内光下と太陽光下で Rsh をそれぞれ 1 / 10 に小さくした場合にどの程度，光発電特性の照度依存性に影響するかを計算した結果が図 4 の左側のグラフである。室内光の場合，Rsh を 1 /本処理を 3 回実施することで，Voc および FF が最大それぞれ 8 . 7％および 22％増大し，Voc 〜 0 . 58 V および FF〜 0 . 70 を得ることができた。

3．超小型高効率屋内用自立電源の開発
3.1

低リーク電流電気二重層キャパシタ

10 にすることで低照度にした場合の Voc 低下が顕著である

屋内で高効率に光発電が可能となれば，この発電量をキことが分かる。一方，太陽光の場合，同様に Rsh を 1 / 10ャパシタないしバッテリへ高効率で蓄電し，無線センサネにしても光発電特性（J-V 特性）はほとんど変わらないットワーク端末の駆動に用いることとなる。屋外の太陽光（図 4 の右グラフ）。このことは逆に言えば，太陽光発電で発電の場合，Si 太陽電池に 2 次電池として Li イオン電池は問題とならないレベルのリーク電流（逆電流）が室内光を組み合わせることが多いが，筆者らは，本プロジェクト発電では大幅な電圧低下を引き起こすといえる。

発足以前より，DSC に電気二重層キャパシタ（Electric2.2

Double Layer Capacitor：EDLC）を組み合わせて数々の屋内用光発電デバイスの高効率化

2 . 1 での議論を受けて，DSC の逆電流を低減する方策の実証を行ってきている。これは，屋内環境下では，通常の一例を紹介する。ロスの一因である電極基板表面と電解液

Si 太陽電池よりも DSC の方が大きな発電量が得られる点の間に流れる逆電流を抑制するためにチタニア前駆体水液と，2 次電池は充電においてしきい値があるため，低電圧

電学誌，133 巻 4 号，2013 年

215

特 集 自立型 MEMS センサネットワークを活用した省エネルギーの取り組み─4低リーク電流内部電極構造
活物質密着性向上
バインダーを用いた電極
低リークセパレータ

EDLC（0 . 01 F）の充電電流90％電圧保持 EDLC
120

80％電圧保持 EDLC

低逆電流 DSC80Vout400051015
充電時間（hrs）

20制御用ICEDLC（0 . 01 F）の電圧保持率

図7

電圧保持率（％）

200

開発目標の超小型高効率屋内用自立電源の模式図

8060

DC / DCConverter
2.6V 出力
EDLC（5 mF）

DSC

90％電圧保持 EDLC

4080％電圧保持 EDLC

20005

マイコン
温度センサ

RF 送信機RF（2.4 GHz）

環境発蓄電評価ボード

101520開回路放置時間（hrs）

送信間隔：10s

52 mm

3 mm 以下

DSC

44 mm

EDLC（0 . 01 F）のリーク電流と電圧保持率の一例
25 mm

図6

DC / DC
コンバータ

24 mm

リーク電流（µA）

200からの充電が困難であるのに対して，EDLC では原理的に表面0 V 以上から充電することが可能である点からエネルギー
図8

密度の低い屋内照明環境に適合していると考えられるから

EDLC
裏面

DC / DC-IC

試作した自立電源搭載無線センサネットワーク端末である。また，EDLC は Li イオン電池に比べて内部抵抗が低いことから，比較的大きな電流を消費する無線デバイなシステム構成が可能であるともいえる。
しかしながら，一般的に EDLC は絶縁抵抗が低いために，リーク電流が大きく，電圧保持率が Li イオン電池よりも低い。そこで，低い内部抵抗を維持しながら，低リー3 . 000
充電電圧（V）スに直結して駆動させることも可能であり，よりシンプル

入力電力条件300 µA / 0.5 V

2 . 000
動作開始まで，約 20 分必要

1 . 000
充電期間
0 . 000300

0ク電流で電圧保持率の高い EDLC を開発している。図 6cm2）程度まで低減させた結果であり，それにより，電圧保持率が 80％から 90％に増大した一例である。オフィスでのグリーンセンサネットワーク実証を考えた場合，夜間・休日時の蓄電容量の低下がアプリケーションによっては課題となり得るため，電圧保持率の高い（低リーク電充電電圧（V）

時間後の到達リーク電流を 10 µA → 1 . 0 µA（0 . 05 µA /1 2001 500

2 . 650は EDLC のリーク電流の要因となる活物質の剥 離 を抑制した結果，容量 0 . 01 F の EDLC において，充電開始 24600900時間（sec）

動作期間

2 . 600

10 sec2 . 550動作期間拡大図
2 . 500
1 300 1 320 1 340 1 360 1 380 1 400 1 420 1 440時間（sec）

図9

試作した自立電源搭載無線センサネットワーク端末流）EDLC を開発する必要があると考えている。
3.2

自立電源 POC ボードの試作と動作検証実証）ボード）を開発している（図 7）。

屋内の微弱な光環境でも効率よく発電が可能な低逆電流

DSC と EDLC と DC / DC コンバータで試作した自立DSC を開発し，DSC からの微小電力を効率よく蓄電でき電源を搭載した無線センサネットワーク端末のブロック図

る低リーク電流 EDLC を開発し，上記 DSC および EDLCを 図 8 に 示 す。DSC は 1 セ ル で あ り， そ の 有 効 面 積 はと高効率 DC / DC コンバータを組み合わせた屋内向け光8 . 6 cm2 である。EDLC は 5 mF の低容量のもので，制御発蓄電ボード（自立電源 POC（Proof Of Concept，概念

基板に両面実装している。この構成により屋内照明環境下

216

IEEJ Journal, Vol.133 No.4, 2013

自立型 MEMS センサネットワークを活用した省エネルギーの取り組み─4

室内照明による高効率環境発電デバイスと自立電源の開発センサネットワーク実証を進めていくものとする。
mm2855 mm

t＝4 mmエネルギーハーベスティングボード（Energy Harvesting Board）

920 MHz 無線モジュール センサモジュール基板
自立電源＋マイコン基板（温度・湿度，気圧，照度）（DSC＋EDLD＋DCDC）

図 10

無線モジュール

4．おわりに
屋内の微弱な光環境でも効率よく発電が可能な 低逆電流 DSC

および DSC からの微小電力を効率よく蓄電できる低リーク電流 EDLC を開発し，DC / DC コンバータを組み合わせた屋内向け発蓄電ボードを開発し， 屋内用自立電源 を試作した。
で温度センサの情報を送信することが可能となる。
消費するエネルギーの観点から考えると以下のようになる。充電電圧は 2 . 6 V なので，蓄えられるエネルギー量−3

上記自立電源試作機にて屋内環境下で温度センサデータの無線送信（10 秒ごとに 1 回）の永続的動作が可能であることを確認した。

は Q ＝ CV ＝ 5 × 10 （F）× 2 . 6（V）＝ 13 mC である。

今後は，本プロジェクトの中のスマートオフィス WG

マイコン / 温度センサ / RF を 1 回駆動させるのに必要なにおいて，ターゲットとなる中小オフィス環境に合わせて電荷量は約 100 µC（満充電の〜 1 / 130）であるので安定自立電源の効率を高めるとともに，エネルギーマネジメンした動作が可能である。本評価で使用した DSC セルは蛍ト LSI との組み合わせ最適化を検証する。さらに，本プ

光灯 450 ルクス環境下で約 150 µW を発電している。このロジェクトで開発される低消費電力赤外線アレーセンサや場合，図 9 に示すように，初期の充電には 20 分程度の時

CO2 センサなどのグリーンセンサを搭載した，自立電源駆間を要するが，150 µW の発電量でも温度センサのデータ

動無線センサネットワーク端末の試作・評価も実施し，グの無線通信（10 秒ごとに 1 回）動作が永続的に可能であリーンコンセントレータ（グリーンセンサで得られた環境ることを確認した。なお，動作期間とは，温度センサの値データの収集・転送を行う通信ノード）へのセンシングデを読み取り，無線にて PC へデータ送信する期間である。

ータを送信し，クラウド経由でスマートオフィスのアプリ

今後は，図 10 に示すような既存の 920 MHz 無線モジ

ケーションの実用性に関する検証をスマートオフィス WG

ュールとマイコン，およびセンサモジュール（温度・湿内でともに実施していく予定である。

度，気圧，照度）を自立電源で駆動させる無線センサネッ
トワーク端末の試作開発を進め，スマートオフィス実証へ〈謝辞〉 本稿記載の成果の一部は、独立行政法人新エネルの道筋を示した後に，本プロジェクトで開発される赤外線ギー・産業技術総合開発機構（NEDO）の共同研究業務のアレーセンサを搭載した上で，中小オフィスでのグリーン結果得られたものである。

奥良彰

おく・よしあき1998 年ローム（株）入社，ULSI 研究開発本部配属。2009 年研究開発本部融合デバイス研究開発センター長。2013 年より研究開発本部センサネットワーク要素研究開発チームリーダー。2011 年よりグリーンセンサ・ネットワークシステム技術開発プロジェクトに従事。

電学誌，133 巻 4 号，2013 年

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