基于氧化锌原料的光发电技术开发

前言

现在HEMS、BEMS※1能源管理系统正在开发当中。这是一种建筑物中用来管理使用器械、设备运转的系统，其目的是为了减少建筑物中的能源消耗。目前，HEMS/BEMS主要致力于将能源消耗量可视化，今后将会结合传感器网络，用来检测室内人体活动，门窗打开或关闭等状态，在必要的场合使用能源，而不必要的场合能自动节约能源，实现舒适和节能的目标。

在传感器网络的实际使用中，电源是挑战课题之一。通过用来减少能耗的传感器节点达到节能的效果，为了更舒适的生活，我们从未放弃对节点自由安装的研究。村田制作所考虑到环境发电技术不适用于这种传感器节点的电源中，利用压电效应的振动发电、将温度差转换成电能的热电转换元件，还有本章介绍的光发电技术的多种发电设备正在开发当中。

光发电技术

人类活动的场所最好是有光线的。收集这种普遍存在于人们生活中的环保能源并转换成电能，运用于电子设备中的就是光发电技术。这种光发电技术一般使用非晶硅太阳能电池，而使用于传感器节点的电源即使是室内微弱的灯光也可发电，其入射光的角度依赖性很小，并且以轻薄、不易断裂的发电设备为宗旨，这就是村田目前正在开发的以氧化锌作为原料，色素增感型光发电技术※2。

色素增感型光发电构造如图1所示。电路板上使用了树脂膜，在电路板上形成透明电极，而在工作电极端的上方则通过丝网印刷等过程形成多孔半导体膜，这种膜吸附色素。相反电极是在透明电极上形成Pt等触媒，这样就形成了由2层电路板来密封电解质的构造。

色素增感型光发电技术的发电原理即下面反复的氧化还原反应。

1. 对吸附色素的半导体膜上进行光照、色素发射电子。

2. 发射出的电子经由半导体膜、透明电极等移动到相反电极。

3. 通过相反电极上电解质中的三碘化物I3-由催化剂作用还原成碘化物离子3I-。

4. 碘化物离子3I-被色素酸化又变回三碘化物I3-。

 
图1: 色素増感型光发电设备的构造

我们在制作这种设备时，重点是尽可能将多孔半导体膜的表面积做大。一般来说要用二氧化钛作为半导体膜，并且需要经过400度以上的高温烧制过程，而作为电路板来说是不可能使用这种膜的。因此，村田制作所以山形大学吉田司教授的技术指导为基础，利用了氧化锌在低温条件下可形成多孔半导体膜的原理，开发了使用树脂模，轻薄、不易断裂的色素增感型光发电设备（参照图2）。

 
图2: 色素増感型光发电设备的照片

现在，电解质、色素这类材料的组合、工艺条件进展的优化，目标是即使在200lux以下微弱的室内光中，也能获得比非晶硅更多的发电量而优化的开发。可是目前在评价用的单元格中、在200lux白色LED照明下只能达到7μW/cm2以上的发电量，即与非晶硅同等或以上的发电量。

使用光发电无线传感器网络的应用实例

使用光发电技术收集室内光这种普遍存在于人们生活中的环保能源并转换成电能，面向无线传感器网络的应用实例介绍如下。

未来通过HEMS/BEMS来谋求使用最少的能源获得舒适的生活，通过人体感应传感器、磁感应传感器以及温湿度传感器来检测人体活动，门窗闭合或开启的状态，房间的温湿度，检测到的数据通过无线传输，从而能够自动控制。这就是“无线感知系统(参照图3) ”。

这种“无线感知系统”中传感器节点的电源使用了光发电技术，还使用了无线通信来传输检测到的数据，不需要外部电源，可轻松设置。今后，为了实现免维护的传感器节点，在光发电技术的开发中，将通过提高特性来实现设备小型化与长期高可靠性的结合。

 
图3: 无线感知系统

结语

村田制作所在横浜的智能社区※3●智能小区※4内设置了安装该光发电技术的无线感知系统实验仪器（参考图4），在接近实际环境的室内使用光发电技术来获得能源，除了评估能否稳定的传输和接收检测到的数据，从而把握客户需求，通过无线感知系统调查所使用的电子元器件对性能和可靠性的需求。此外，将来还会对能量收集市场的技术开发以及新产品的研发展开研究。

 
传感器网络应用实例

 
图4:横浜智能社区●智能小区内设置的“无线感知系统”


※1 HEMS (Home Energy Management System) 、BEMS (Building Energy Management System) 指使用于家庭、建筑物内，用来将能量可视化，从而达到最优控制消耗的系统。

※2 村田制作所正在研发的色素增感太阳能电池是指专门针对室内光收集的特别开发，称之为“光发电设备”而并非“太阳能电池”。

※3 横浜智能社区指横浜市、企业、大学等成员，以与环境友好的节能生活为目标的团体。

※4 智能小区研究和实证以横浜智能社区为中心，参加的企业、团体不给自然环境带来负担，追求以节能、循环型社会体系为目标的社区模式的场所。