IC和蓄电技术相结合的光电转换器件 - 全文

以照明的光线作为遥控器和钟表的电源，无需布线即可使传感器网络遍布家中——罗姆正在开发为这种环境实现的太阳能发电面板。那就是色素增感型光电转换元件（Dye Sensitized Solar Cell，以下DSC）。

　　虽说是太阳能发电，但该公司要用作DSC光源的光却是室内光。他们所描绘的前景是，用DSC回收投入照明的部分能源，用作家中小家电的电源。

　　DSC利用吸收了光的色素会释放电子的现象来发电。其结构比较简单：使由氧化钛（TiO2）微粒构成的纳米多孔膜的表面吸附色素，然后用设有透明电极的两块基板将其与电解液一起夹住（图1）。

　　

图1：色素增感型太阳能电池（DSC）的原理

　　将TiO2纳米多孔膜上吸附有色素分子的光半导体膜与电解液一起封装在基板上。当光照到色素上时，能释放出电子，产生电流。图根据罗姆的资料绘制而成。

因能通过改变使用色素的颜色，而在某种程度上调整颜色，因此与乌黑的硅（Si）型光电转换元件相比，具有能够制成多种颜色面板的优点（图2）。

　　

图2：能制成多种颜色面板的DSC

　　使用几种颜色的色素制成的扇型面板。但照片上的产品未布线，不能发电。

　　罗姆注重了DSC的设计性。因为最初就考虑使其成为与室内布置相协调的小型电源。DSC半透明，因此还考虑嵌入玻璃中使用。如果与室内装饰等搭配，可制成一眼看不出有发电功能的设备。基板材料除玻璃外，还能使用树脂等，因此如果以柔软的树脂作为基板，还能实现可弯曲的面板。

　　制造成本比较低也是一个特点。与普遍使用的室外用单晶硅型光电转换元件不同，DSC无需真空工序，因此在低温下制造即可。具体成本未公布，不过“如果量产，可以降低制造成本（降至实用水平）”（该公司研究开发总部融合元件研发中心主任奥良彰）。

最适合传感器网络

　　罗姆现在将DSC定位于从周围环境获取能源的能量采集器件在开发。比如，为便携产品的充电器供电，作为小型音频播放器、遥控器及挂钟的电源等（图3）。如果能作为稳定电源使用，那么在室内就无需布置为小电器供电的电线了，还可省去更换电池的麻烦。

　　

图3：在室内使用DSC

　　设想作为便携式小型电器、遥控器及钟表等的电源使用。图根据罗姆的资料绘制而成。

　　其他被寄予厚望的用途是传感器网络用电源。因为在人活动的场所基本都有照明，因此与振动发电和热电转换等其他能量采集方式相比，DSC能够稳定确保电源。如果如下文所述与蓄电器件组合，还能在就寝后的黑暗场所使用。

　　由于DSC轻便且设计性高，因此适合作为在人感传感器、测量室内环境的温湿度计及保健用传感器等上组合有通信模块的室内用及人体用传感器节点的电源使用。

　　DSC适合利用照明光线的原因在于其发电特性。普通Si型太阳能发电面板利用的是以波长在1100nm左右的近红外线为中心的光。而DSC利用荧光灯及LED等主要发出400n～700nm以上波长的光线发电。DSC虽然赶不上转换效率在20％以上的Si型太阳能发电面板，但如果限定于波长400n～700nm的光线，DSC的转换效率却是Si型太阳能发电面板的数倍＊。

　　＊　DSC难以大型化，是其用途锁定在部件电源、便携设备及在室内使用的电器的电源上的原因之一。可使用室内光的太阳能发电面板还有非晶Si型，但目前DSC获得的电流比非晶Si型高2～3成

与IC和蓄电技术相结合合

　　罗姆开始开发DSC是在2009年。源于其收购的原冲半导体拥有有机薄膜成形技术。不过，DSC的原理以前就广为人知，其他公司也在开发。因此，罗姆提出了将DSC与其所擅长的IC和其他元件组合，作为模块提供以发挥优势的战略。

　　如果将DSC与能快速充放电的双电层电容器（EDLC）组合使用，则能够以DSC为缓冲平均输出功率。就上述的传感器节点而言，小面板的输出功率很难满足常开传感器和无线通信功能的功耗，但在EDLC上蓄电进行间歇驱动就可行。如果一下子释放，还能够像摄影用闪光灯那样使用。

　　与现有IC技术组合也有望实现乘积效应。比如，该公司已在提供太阳能发电用，配备有MPPT（Maximum Power Point Tracking）功能的充电控制用IC。MPPT是相应于连接到太阳能发电面板的负荷状态和照度变化，控制电压以使太阳能发电面板的输出功率最大化的功能。如果在其基础上开发DSC用充电控制IC，则能够进一步发挥DSC的作用。另外，从事传感器用IC等业务的该公司的优势在于，能够将DSC与这些技术组合，提供传感器网络用模块。

转换效率和可靠性是关键

　　罗姆已多次在展会上展出试制品，基础技术已基本确立（图4）。现在正根据需求，着眼于数年后的实用化进行开发。目前面临的课题是提高转换效率和提高可靠性。虽然在室内光的波长范围内拥有较高的转换效率，但DSC仍赶不上Si型。并且，如果设想在家庭中使用，那么就不只是像办公室那样照度接近1000lx的明亮场所，还需要将200～300lx左右的低照度也能作为电源使用的转换效率。“现在以1000lx的照度，发电能力不足50μW/cm2，但希望2、3年内提高2～3成”（奥良彰）。

　　

图4：使用DSC的试制品

　　在2011年7月的“TECHNO FRONTIER 2011”上展出的试制品。电源有采用3色面板的钟表（a）、计算器（b）、配备有使用ZigBee的无线通信功能和温度传感器的无线传感器模块（c）。

　　长期稳定运行的可靠性也是不可或缺的。虽然室内的使用环境不像室外那样苛刻，但“希望其具有能够使用10年左右不出问题的耐用性”（奥良彰）。如何减小受光部分周围框架的布线和延长寿命尤为关键。考虑到耐用性，粗一点更好，但从设计性出发，则是越细越好。兼顾两者将是今后的课题。