基于氧化鋅原料的光發(fā)電技術(shù)開發(fā)

前言

現(xiàn)在HEMS、BEMS※1能源管理系統(tǒng)正在開發(fā)當(dāng)中。這是一種建筑物中用來管理使用器械、設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的系統(tǒng)，其目的是為了減少建筑物中的能源消耗。目前，HEMS/BEMS主要致力于將能源消耗量可視化，今后將會結(jié)合傳感器網(wǎng)絡(luò)，用來檢測室內(nèi)人體活動，門窗打開或關(guān)閉等狀態(tài)，在必要的場合使用能源，而不必要的場合能自動節(jié)約能源，實(shí)現(xiàn)舒適和節(jié)能的目標(biāo)。

在傳感器網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際使用中，電源是挑戰(zhàn)課題之一。通過用來減少能耗的傳感器節(jié)點(diǎn)達(dá)到節(jié)能的效果，為了更舒適的生活，我們從未放棄對節(jié)點(diǎn)自由安裝的研究。村田制作所考慮到環(huán)境發(fā)電技術(shù)不適用于這種傳感器節(jié)點(diǎn)的電源中，利用壓電效應(yīng)的振動發(fā)電、將溫度差轉(zhuǎn)換成電能的熱電轉(zhuǎn)換元件，還有本章介紹的光發(fā)電技術(shù)的多種發(fā)電設(shè)備正在開發(fā)當(dāng)中。

光發(fā)電技術(shù)

人類活動的場所最好是有光線的。收集這種普遍存在于人們生活中的環(huán)保能源并轉(zhuǎn)換成電能，運(yùn)用于電子設(shè)備中的就是光發(fā)電技術(shù)。這種光發(fā)電技術(shù)一般使用非晶硅太陽能電池，而使用于傳感器節(jié)點(diǎn)的電源即使是室內(nèi)微弱的燈光也可發(fā)電，其入射光的角度依賴性很小，并且以輕薄、不易斷裂的發(fā)電設(shè)備為宗旨，這就是村田目前正在開發(fā)的以氧化鋅作為原料，色素增感型光發(fā)電技術(shù)※2。

色素增感型光發(fā)電構(gòu)造如圖1所示。電路板上使用了樹脂膜，在電路板上形成透明電極，而在工作電極端的上方則通過絲網(wǎng)印刷等過程形成多孔半導(dǎo)體膜，這種膜吸附色素。相反電極是在透明電極上形成Pt等觸媒，這樣就形成了由2層電路板來密封電解質(zhì)的構(gòu)造。

色素增感型光發(fā)電技術(shù)的發(fā)電原理即下面反復(fù)的氧化還原反應(yīng)。

1. 對吸附色素的半導(dǎo)體膜上進(jìn)行光照、色素發(fā)射電子。

2. 發(fā)射出的電子經(jīng)由半導(dǎo)體膜、透明電極等移動到相反電極。

3. 通過相反電極上電解質(zhì)中的三碘化物I3-由催化劑作用還原成碘化物離子3I-。

4. 碘化物離子3I-被色素酸化又變回三碘化物I3-。


圖1: 色素増感型光發(fā)電設(shè)備的構(gòu)造

我們在制作這種設(shè)備時，重點(diǎn)是盡可能將多孔半導(dǎo)體膜的表面積做大。一般來說要用二氧化鈦?zhàn)鳛榘雽?dǎo)體膜，并且需要經(jīng)過400度以上的高溫?zé)七^程，而作為電路板來說是不可能使用這種膜的。因此，村田制作所以山形大學(xué)吉田司教授的技術(shù)指導(dǎo)為基礎(chǔ)，利用了氧化鋅在低溫條件下可形成多孔半導(dǎo)體膜的原理，開發(fā)了使用樹脂模，輕薄、不易斷裂的色素增感型光發(fā)電設(shè)備（參照圖2）。


圖2: 色素増感型光發(fā)電設(shè)備的照片

現(xiàn)在，電解質(zhì)、色素這類材料的組合、工藝條件進(jìn)展的優(yōu)化，目標(biāo)是即使在200lux以下微弱的室內(nèi)光中，也能獲得比非晶硅更多的發(fā)電量而優(yōu)化的開發(fā)。可是目前在評價用的單元格中、在200lux白色LED照明下只能達(dá)到7μW/cm2以上的發(fā)電量，即與非晶硅同等或以上的發(fā)電量。

使用光發(fā)電無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用實(shí)例

使用光發(fā)電技術(shù)收集室內(nèi)光這種普遍存在于人們生活中的環(huán)保能源并轉(zhuǎn)換成電能，面向無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用實(shí)例介紹如下。

未來通過HEMS/BEMS來謀求使用最少的能源獲得舒適的生活，通過人體感應(yīng)傳感器、磁感應(yīng)傳感器以及溫濕度傳感器來檢測人體活動，門窗閉合或開啟的狀態(tài)，房間的溫濕度，檢測到的數(shù)據(jù)通過無線傳輸，從而能夠自動控制。這就是“無線感知系統(tǒng)(參照圖3) ”。

這種“無線感知系統(tǒng)”中傳感器節(jié)點(diǎn)的電源使用了光發(fā)電技術(shù)，還使用了無線通信來傳輸檢測到的數(shù)據(jù)，不需要外部電源，可輕松設(shè)置。今后，為了實(shí)現(xiàn)免維護(hù)的傳感器節(jié)點(diǎn)，在光發(fā)電技術(shù)的開發(fā)中，將通過提高特性來實(shí)現(xiàn)設(shè)備小型化與長期高可靠性的結(jié)合。


圖3: 無線感知系統(tǒng)

結(jié)語

村田制作所在橫浜的智能社區(qū)※3●智能小區(qū)※4內(nèi)設(shè)置了安裝該光發(fā)電技術(shù)的無線感知系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器（參考圖4），在接近實(shí)際環(huán)境的室內(nèi)使用光發(fā)電技術(shù)來獲得能源，除了評估能否穩(wěn)定的傳輸和接收檢測到的數(shù)據(jù)，從而把握客戶需求，通過無線感知系統(tǒng)調(diào)查所使用的電子元器件對性能和可靠性的需求。此外，將來還會對能量收集市場的技術(shù)開發(fā)以及新產(chǎn)品的研發(fā)展開研究。


傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用實(shí)例


圖4:橫浜智能社區(qū)●智能小區(qū)內(nèi)設(shè)置的“無線感知系統(tǒng)”


※1 HEMS (Home Energy Management System) 、BEMS (Building Energy Management System) 指使用于家庭、建筑物內(nèi)，用來將能量可視化，從而達(dá)到最優(yōu)控制消耗的系統(tǒng)。

※2 村田制作所正在研發(fā)的色素增感太陽能電池是指專門針對室內(nèi)光收集的特別開發(fā)，稱之為“光發(fā)電設(shè)備”而并非“太陽能電池”。

※3 橫浜智能社區(qū)指橫浜市、企業(yè)、大學(xué)等成員，以與環(huán)境友好的節(jié)能生活為目標(biāo)的團(tuán)體。

※4 智能小區(qū)研究和實(shí)證以橫浜智能社區(qū)為中心，參加的企業(yè)、團(tuán)體不給自然環(huán)境帶來負(fù)擔(dān)，追求以節(jié)能、循環(huán)型社會體系為目標(biāo)的社區(qū)模式的場所。