IC和蓄電技術(shù)相結(jié)合的光電轉(zhuǎn)換器件 - 全文

以照明的光線作為遙控器和鐘表的電源，無需布線即可使傳感器網(wǎng)絡(luò)遍布家中——羅姆正在開發(fā)為這種環(huán)境實(shí)現(xiàn)的太陽能發(fā)電面板。那就是色素增感型光電轉(zhuǎn)換元件（Dye Sensitized Solar Cell，以下DSC）。

　　雖說是太陽能發(fā)電，但該公司要用作DSC光源的光卻是室內(nèi)光。他們所描繪的前景是，用DSC回收投入照明的部分能源，用作家中小家電的電源。

　　DSC利用吸收了光的色素會(huì)釋放電子的現(xiàn)象來發(fā)電。其結(jié)構(gòu)比較簡單：使由氧化鈦（TiO2）微粒構(gòu)成的納米多孔膜的表面吸附色素，然后用設(shè)有透明電極的兩塊基板將其與電解液一起夾?。▓D1）。

圖1：色素增感型太陽能電池（DSC）的原理

　　將TiO2納米多孔膜上吸附有色素分子的光半導(dǎo)體膜與電解液一起封裝在基板上。當(dāng)光照到色素上時(shí)，能釋放出電子，產(chǎn)生電流。圖根據(jù)羅姆的資料繪制而成。

因能通過改變使用色素的顏色，而在某種程度上調(diào)整顏色，因此與烏黑的硅（Si）型光電轉(zhuǎn)換元件相比，具有能夠制成多種顏色面板的優(yōu)點(diǎn)（圖2）。

圖2：能制成多種顏色面板的DSC

　　使用幾種顏色的色素制成的扇型面板。但照片上的產(chǎn)品未布線，不能發(fā)電。

　　羅姆注重了DSC的設(shè)計(jì)性。因?yàn)樽畛蹙涂紤]使其成為與室內(nèi)布置相協(xié)調(diào)的小型電源。DSC半透明，因此還考慮嵌入玻璃中使用。如果與室內(nèi)裝飾等搭配，可制成一眼看不出有發(fā)電功能的設(shè)備?；宀牧铣Ａ?，還能使用樹脂等，因此如果以柔軟的樹脂作為基板，還能實(shí)現(xiàn)可彎曲的面板。

　　制造成本比較低也是一個(gè)特點(diǎn)。與普遍使用的室外用單晶硅型光電轉(zhuǎn)換元件不同，DSC無需真空工序，因此在低溫下制造即可。具體成本未公布，不過“如果量產(chǎn)，可以降低制造成本（降至實(shí)用水平）”（該公司研究開發(fā)總部融合元件研發(fā)中心主任奧良彰）。

最適合傳感器網(wǎng)絡(luò)

　　羅姆現(xiàn)在將DSC定位于從周圍環(huán)境獲取能源的能量采集器件在開發(fā)。比如，為便攜產(chǎn)品的充電器供電，作為小型音頻播放器、遙控器及掛鐘的電源等（圖3）。如果能作為穩(wěn)定電源使用，那么在室內(nèi)就無需布置為小電器供電的電線了，還可省去更換電池的麻煩。

圖3：在室內(nèi)使用DSC

　　設(shè)想作為便攜式小型電器、遙控器及鐘表等的電源使用。圖根據(jù)羅姆的資料繪制而成。

　　其他被寄予厚望的用途是傳感器網(wǎng)絡(luò)用電源。因?yàn)樵谌嘶顒?dòng)的場所基本都有照明，因此與振動(dòng)發(fā)電和熱電轉(zhuǎn)換等其他能量采集方式相比，DSC能夠穩(wěn)定確保電源。如果如下文所述與蓄電器件組合，還能在就寢后的黑暗場所使用。

　　由于DSC輕便且設(shè)計(jì)性高，因此適合作為在人感傳感器、測量室內(nèi)環(huán)境的溫濕度計(jì)及保健用傳感器等上組合有通信模塊的室內(nèi)用及人體用傳感器節(jié)點(diǎn)的電源使用。

　　DSC適合利用照明光線的原因在于其發(fā)電特性。普通Si型太陽能發(fā)電面板利用的是以波長在1100nm左右的近紅外線為中心的光。而DSC利用熒光燈及LED等主要發(fā)出400n～700nm以上波長的光線發(fā)電。DSC雖然趕不上轉(zhuǎn)換效率在20％以上的Si型太陽能發(fā)電面板，但如果限定于波長400n～700nm的光線，DSC的轉(zhuǎn)換效率卻是Si型太陽能發(fā)電面板的數(shù)倍＊。

　?。SC難以大型化，是其用途鎖定在部件電源、便攜設(shè)備及在室內(nèi)使用的電器的電源上的原因之一?？墒褂檬覂?nèi)光的太陽能發(fā)電面板還有非晶Si型，但目前DSC獲得的電流比非晶Si型高2～3成

與IC和蓄電技術(shù)相結(jié)合合

　　羅姆開始開發(fā)DSC是在2009年。源于其收購的原沖半導(dǎo)體擁有有機(jī)薄膜成形技術(shù)。不過，DSC的原理以前就廣為人知，其他公司也在開發(fā)。因此，羅姆提出了將DSC與其所擅長的IC和其他元件組合，作為模塊提供以發(fā)揮優(yōu)勢的戰(zhàn)略。

　　如果將DSC與能快速充放電的雙電層電容器（EDLC）組合使用，則能夠以DSC為緩沖平均輸出功率。就上述的傳感器節(jié)點(diǎn)而言，小面板的輸出功率很難滿足常開傳感器和無線通信功能的功耗，但在EDLC上蓄電進(jìn)行間歇驅(qū)動(dòng)就可行。如果一下子釋放，還能夠像攝影用閃光燈那樣使用。

　　與現(xiàn)有IC技術(shù)組合也有望實(shí)現(xiàn)乘積效應(yīng)。比如，該公司已在提供太陽能發(fā)電用，配備有MPPT（Maximum Power Point Tracking）功能的充電控制用IC。MPPT是相應(yīng)于連接到太陽能發(fā)電面板的負(fù)荷狀態(tài)和照度變化，控制電壓以使太陽能發(fā)電面板的輸出功率最大化的功能。如果在其基礎(chǔ)上開發(fā)DSC用充電控制IC，則能夠進(jìn)一步發(fā)揮DSC的作用。另外，從事傳感器用IC等業(yè)務(wù)的該公司的優(yōu)勢在于，能夠?qū)SC與這些技術(shù)組合，提供傳感器網(wǎng)絡(luò)用模塊。

轉(zhuǎn)換效率和可靠性是關(guān)鍵

　　羅姆已多次在展會(huì)上展出試制品，基礎(chǔ)技術(shù)已基本確立（圖4）?，F(xiàn)在正根據(jù)需求，著眼于數(shù)年后的實(shí)用化進(jìn)行開發(fā)。目前面臨的課題是提高轉(zhuǎn)換效率和提高可靠性。雖然在室內(nèi)光的波長范圍內(nèi)擁有較高的轉(zhuǎn)換效率，但DSC仍趕不上Si型。并且，如果設(shè)想在家庭中使用，那么就不只是像辦公室那樣照度接近1000lx的明亮場所，還需要將200～300lx左右的低照度也能作為電源使用的轉(zhuǎn)換效率?！艾F(xiàn)在以1000lx的照度，發(fā)電能力不足50μW/cm2，但希望2、3年內(nèi)提高2～3成”（奧良彰）。

圖4：使用DSC的試制品

　　在2011年7月的“TECHNO FRONTIER 2011”上展出的試制品。電源有采用3色面板的鐘表（a）、計(jì)算器（b）、配備有使用ZigBee的無線通信功能和溫度傳感器的無線傳感器模塊（c）。

　　長期穩(wěn)定運(yùn)行的可靠性也是不可或缺的。雖然室內(nèi)的使用環(huán)境不像室外那樣苛刻，但“希望其具有能夠使用10年左右不出問題的耐用性”（奧良彰）。如何減小受光部分周圍框架的布線和延長壽命尤為關(guān)鍵?？紤]到耐用性，粗一點(diǎn)更好，但從設(shè)計(jì)性出發(fā)，則是越細(xì)越好。兼顧兩者將是今后的課題。?