JP6174456B2 - 光蓄電池及び光蓄電池システム - Google Patents

Description

本発明は、太陽電池と蓄電池とを一体に含む光蓄電池及びそれを用いた光蓄電池システムに関する。

太陽電池と蓄電池とを一体化した光蓄電池では、省スペース化を図りつつ、太陽電池によって発電を行うと同時に蓄電池に充電を行うことが可能である。すなわち、光蓄電池では、受光が可能な場所で発電、充電、放電を行うことができ、且つ充電後には、受光が困難な場所であっても放電を行うことができる。

例えば、特許文献１には、太陽電池として色素増感太陽電池を含み、蓄電池として導電性高分子膜からなる電荷蓄積電極を含む光蓄電池が提案されている。この光蓄電池は、カチオン交換膜によって互いの間が仕切られた第１電解液及び第２電解液と、第１電解液中に配置される太陽電池負極及び対極と、第２電解液中に配置される電荷蓄積電極とを有する３極式である。また、外部回路によって、太陽電池負極と電荷蓄積電極とが電気的に接続され、且つ負荷を介在して電荷蓄積電極と対極とが電気的に接続されている。

このような光蓄電池に太陽光等の光が照射されると、太陽電池負極上の色素が励起されて電子が生じる。このため、外部回路によって太陽電池負極と電荷蓄積電極とを電気的に接続すると、太陽電池負極から電荷蓄積電極に電子が流れる。その結果、電荷蓄積電極をなす導電性高分子膜（ポリピロール膜）でアニオンの脱ドープが生じ、電荷蓄積電極の充電を行うことが可能になる。

この際、第２電解液中のアニオンが増大するため、第１電解液及び第２電解液の電荷の均衡を維持するべく、カチオン交換膜を介して、第１電解液中から第２電解液中へとカチオンが移動する。これによって、太陽電池負極と電荷蓄積電極との電位差が維持され、上記の充電反応が促進される。

一方、上記の光が遮断され、太陽電池負極からの電子の流れが停止した電荷蓄積電極と対極とを外部回路によって電気的に接続すると、該電荷蓄積電極をなす導電性高分子膜でアニオンのドープが生じる。これによって、電荷蓄積電極から対極に電子が流れるため、蓄電した電荷蓄積電極の放電を行うことが可能になる。この際、第２電解液中のアニオンが減少することに伴い、カチオン交換膜を介して、第２電解液中から第１電解液中へとカチオンが移動する。これによって、電荷蓄積電極と対極との電位差が維持され、上記の放電反応が促進される。

特許第４７５７４３３号公報

特許文献１記載の光蓄電池において、第１電解液と第２電解液との電荷の均衡を維持して充放電を促進するためには、上記の通り、両電解液に存在する共通のカチオンを移動体として、両電解液間を移動させる必要がある。しかしながら、カチオンは電子等に比してサイズが大きいため、第１電解液及び第２電解液中での移動速度が小さく、また、カチオン交換膜を通過する際の移動抵抗も大きい。従って、カチオンの移動に要する時間が長くなり、ひいては、充放電に要する時間が長くなってしまう。このため、カチオンを移動体とする上記の光蓄電池では、充放電の効率を十分に向上させることが困難である。

本発明はこの種の問題を解決するものであり、充放電を高効率で行うことが可能な光蓄電池及びそれを用いた光蓄電池システムを提供することを目的とする。

前記の目的を達成するために、本発明は、太陽電池と蓄電池とを一体に含む光蓄電池であって、
前記太陽電池は、太陽電池負極と、金属からなる太陽電池正極と、前記太陽電池負極及び前記太陽電池正極の各々に接触する太陽電池電解液とを有し、
前記蓄電池は、蓄電池負極と、半導体からなる蓄電池正極と、前記蓄電池負極及び前記蓄電池正極の各々に接触する蓄電池電解液とを有し、
前記太陽電池正極と前記蓄電池正極とが、互いの間にショットキー障壁を形成するように接合されることで、前記蓄電池正極から前記太陽電池正極に向かう方向にのみ電流を流すことが可能であり、
前記太陽電池の放電時には、前記太陽電池負極と前記太陽電池正極とを電気的に接続可能であり、
前記蓄電池の充電時には、前記太陽電池負極と前記蓄電池負極とを電気的に接続可能であることを特徴とする。

この光蓄電池では、太陽電池電解液と蓄電池電解液との間に、互いにショットキー接合された太陽電池正極及び蓄電池正極が介在する。このように互いの間にショットキー障壁が形成された太陽電池正極と蓄電池正極との接合体（接合電極）は、整流作用を示す。すなわち、金属からなる太陽電池正極と、半導体からなる蓄電池正極とをショットキー接合した接合電極では、太陽電池正極から蓄電池正極に向かう方向には電流が流れず、蓄電池正極から太陽電池正極に向かう方向にのみ電流を流すことが可能である。つまり、太陽電池負極に光が照射されることで生じた電子が、外部回路を通って、負荷で仕事を終えた後、太陽電池正極に移動しても、該電子は蓄電池正極へは流れない。このため、太陽電池負極と太陽電池正極との間で閉回路が形成され、太陽電池正極に移動した電子は、太陽電池電解液内での還元反応に寄与することになる。

一方、太陽電池負極で生じた電子を外部回路によって蓄電池負極に移動させることで該蓄電池負極の充電を行う場合、蓄電池正極で生じる電子は、太陽電池正極に流れることが可能であり、太陽電池電解液内での還元反応に寄与することになる。すなわち、蓄電池正極で生じる電子が、蓄電池電解液と太陽電池電解液との間の電荷の均衡を維持するための移動体として機能するため、太陽電池負極と蓄電池負極との間に閉回路が形成される。

このように電子を移動体とする場合、電子は、蓄電池電解液側から太陽電池電解液側へ移動する際に、カチオンやアニオンを移動体とする場合のように、電解膜を通過する必要がない。また、電子は、カチオンやアニオン等に比してサイズが小さいため、移動抵抗を低減することができる。

以上のような理由により、この光蓄電池では、イオン電解膜を介してカチオンやアニオンを移動させる一般的な光蓄電池に比して、移動体の移動速度を増大させて、発電及び充放電の効率を効果的に向上させることができる。

この光蓄電池を構成する太陽電池としては、光エネルギを、化学エネルギを仲介して電気エネルギに変換する形態が好ましい。一層好ましくは、太陽電池負極として、光を吸収して励起電子と正孔を発生させる酸化物半導体と、その光の吸収波長を可視光領域まで拡張する増感色素とを含む色素増感太陽電池である。この場合、太陽電池の発電効率を向上させることができる。その結果、光蓄電池の発電及び充放電の効率を向上させることが可能になる。

この光蓄電池を構成する蓄電池としては、リチウムイオン電池が好ましい。この場合、蓄電池正極を半導体から構成して、金属からなる太陽電池正極との間に整流作用を示すショットキー障壁を容易に形成することが可能になる。

また、本発明は、上記の光蓄電池を含む光蓄電池システムであって、
前記太陽電池負極と前記蓄電池負極とを電気的に接続する第１の配線と、
前記第１の配線に設けられ、前記太陽電池負極と前記蓄電池負極との接続及び非接続を切換可能な第１スイッチと、
前記太陽電池負極と前記第１スイッチとの間の前記第１の配線から分岐し、前記太陽電池負極と前記太陽電池正極とを電気的に接続するため、又は、前記蓄電池負極と前記蓄電池正極とを電気的に接続するための第２の配線と、
前記第２の配線に設けられた負荷と、
前記第２の配線に設けられ、前記第１の配線と、前記負荷との接続又は非接続を切換可能な第２スイッチと、
前記第２の配線に設けられ、前記太陽電池正極及び前記蓄電池正極から選択された一方と、前記負荷との接続又は非接続を切換可能な第３スイッチと、
を有することを特徴とする。

例えば、第１スイッチを開いて、太陽電池負極と蓄電池負極とを非接続とし、第２スイッチを閉じて、太陽電池負極と負荷とを接続し、さらに、第３スイッチによって負荷と太陽電池正極とを接続することで、太陽電池によって発電した電力を負荷に供給することができる。この際、互いに接合された太陽電池正極と蓄電池正極との間にショットキー障壁が形成されているため、太陽電池正極と太陽電池負極との間に閉回路を形成して、発電反応を良好に促進することができる。

また、例えば、第１スイッチを閉じて、太陽電池負極と蓄電池負極とを接続するとともに、第２スイッチ及び第３スイッチを開いて、太陽電池負極及び第１スイッチと、負荷とを非接続とすることで、太陽電池負極で生じた電子を蓄電池負極に移動させることができる。すなわち、太陽電池によって発電した電力を蓄電池に充電することができる。この際、蓄電池正極から太陽電池正極へ電子を移動させることができるため、太陽電池負極と蓄電池負極との間に閉回路を形成することができる。これによって、太陽電池電解液中での酸化還元反応を促進して、太陽電池の発電を促進することができる。

さらに、例えば、第１スイッチ及び第２スイッチを閉じて、蓄電池負極と負荷とを接続し、且つ第３スイッチによって負荷と蓄電池正極とを接続することで、蓄電池に充電した電力を負荷に供給することができる。

従って、上記の通り、第１スイッチ、第２スイッチ、第３スイッチをそれぞれ切換えることによって、光蓄電池の発電及び充放電を効率的に行うことが可能になる。

本発明によれば、太陽電池正極と蓄電池正極とをショットキー接合して、太陽電池と蓄電池とを一体化することで、カチオン及びアニオンよりもサイズが小さい電子を移動体とすることができる。すなわち、この移動体を、イオン交換膜を介さずに蓄電池電解液側から太陽電池電解液側へ移動させて、太陽電池負極と蓄電池負極との間に閉回路を形成することができる。その結果、移動体の移動抵抗を低減して、光蓄電池の発電及び充放電の効率を効果的に向上させることができる。

本発明の実施形態に係る光蓄電池システムによって発電を行う様子を説明する概略構成図である。 図１の光蓄電池システムによって充電を行う様子を説明する概略構成図である。 図１の光蓄電池システムによって放電を行う様子を説明する概略構成図である。

以下、本発明に係る光蓄電池及び該光蓄電池を含んで構成される光蓄電池システムにつき好適な実施形態を挙げ、添付の図面を参照して詳細に説明する。

本実施形態に係る光蓄電池システムは、光蓄電池と、外部回路とを有している。また、光蓄電池は、太陽電池と蓄電池とを一体に含むものである。本実施形態では、太陽電池として色素増感太陽電池を備え、蓄電池としてリチウムイオン電池を備える光蓄電池を例に挙げて説明する。

図１〜図３に示すように、本実施形態に係る光蓄電池システム１０は、光蓄電池１２と、外部回路１４とを有する。光蓄電池１２は、太陽電池１６と蓄電池１８とを後述するように一体化して構成される。

太陽電池１６は、太陽電池負極２０と、太陽電池正極２２と、太陽電池電解液２４とを有する。太陽電池負極２０と太陽電池正極２２は、互いの距離が約５０〜２００μｍとなるように対向して配置され、その間に形成された空間に太陽電池電解液２４が封入されている。太陽電池電解液２４を封入するためのシールには、紫外線硬化シール材や熱溶着ガスケット等を用いればよい。

太陽電池負極２０は、透明基材３４上に、透明導電膜３６、酸化物半導体膜３８がこの順に積層され、該酸化物半導体膜３８に増感色素４０が吸着されて構成されている。また、透明導電膜３６の表面には、集電材４１が設けられ、該集電材４１が太陽電池負極２０から電流を取り出すための電極端子として機能する。なお、太陽電池負極２０は、受光に伴って励起電子と正孔を生成するものであればよく、上記の構成に限定されるものではない。

透明基材３４は、例えば、ガラスや樹脂等、光を透過し得る材料から形成することができる。透明導電膜３６は、例えば、フッ素ドープ酸化スズ（ＦＴＯ）や、スズドープ酸化インジウム（ＩＴＯ）等、光を透過し得、且つ導電性を示す材料から形成することができる。酸化物半導体膜３８は、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化亜鉛、酸化ニオブ等の薄膜から形成することができる。

増感色素４０は、太陽光により励起されて酸化物半導体膜３８に電子注入できるものであればよく、例えば、ルテニウム等の金属錯体系色素（Ｎ７１９ｄｙｅ等）や、クマリン系、フタロシアニン系等の有機系色素を使用することができる。酸化物半導体膜３８が増感色素４０を担持することによって、太陽電池負極２０の光吸収波長を可視光領域まで拡張することができる。集電材４１は、銀、インジウム、スズ合金等から形成することができる。

太陽電池正極２２は、太陽電池電解液２４中の電解質を還元することが可能な金属から構成されればよく、具体的な好適例としては、白金や銀の薄膜等が挙げられる。さらに、太陽電池正極２２の材料として白金を用いた場合、光の照射によって酸化された太陽電池電解液２４中の電解質に電子を供与する触媒機能を営むため、一層好ましい。また、太陽電池正極２２には、電極材からなり、集電材としての機能も有する電極端子４２が設けられている。

太陽電池電解液２４は、電解質を溶媒に溶解して構成される。電解質は、酸化体としての機能と還元体としての機能との両方を有するものであり、例えばヨウ素を挙げることができる。なお、ヨウ素は、溶媒中（太陽電池電解液２４中）で還元体として作用するときにはＩ^-として存在し、酸化体として作用するときにはＩ₃ ^-として存在する。

溶媒は、電解質を溶解し、且つ増感色素４０を溶解しない低粘度の物質であり、熱化学的に安定していれば特に限定されるものではない。溶媒の具体的な好適例としては、アセトニトリル、プロピオニトリル、３−メトキシプロピオニトリル等を挙げることができる。

なお、太陽電池１６の開放電圧は、太陽電池負極２０の構成材料のフラットバンドポテンシャルと、太陽電池電解液２４中の電解質の酸化還元電位とによって決定される。

蓄電池１８は、蓄電池負極２６と、蓄電池正極２８と、蓄電池電解液３０と、セパレータ３２とを有する。なお、セパレータ３２は、蓄電池負極２６と蓄電池正極２８とを隔離して、内部短絡を効果的に防止するために設けられるものであり、内部短絡の懸念がない場合には、特に用いる必要はない。すなわち、セパレータ３２は、蓄電池１８の必須の構成要素ではない。

蓄電池負極２６と蓄電池正極２８は、互いの距離が約１０〜２００μｍとなるようにセパレータ３２を介して対向するように配置され、その間に形成された空間に蓄電池電解液３０が封入されている。上記の太陽電池１６と同様に、蓄電池電解液３０を封入するためのシールも、紫外線硬化シール材や熱溶着ガスケット等を用いて行うことが可能である。

蓄電池負極２６は、リチウムイオンを吸蔵放出可能であり、太陽電池負極２０のフラットバンドポテンシャルよりも低い酸化還元電位を有する材料から構成される。蓄電池負極２６の好適な材料は、例えば、チタン酸リチウムである。この場合、蓄電池１８の充放電を繰り返しても、該蓄電池負極２６の表面に蓄電池正極２８の構成材料が析出して電池容量が低下すること等を抑制できる。

また、蓄電池負極２６の酸化還元電位を太陽電池負極２０のフラットバンドポテンシャルよりも低くする観点からは、蓄電池負極２６の組成を、例えば、バナジウム酸リチウムや、リン酸鉄リチウム、鉄マンガン酸リチウム等とすることが好ましい。上記の材料は、それぞれ単独で又は複数種を組み合わせて用いることも可能である。

蓄電池正極２８は、リチウムイオンを吸蔵放出可能であり、太陽電池正極２２と接合した際に、互いの間にショットキー障壁を形成する半導体、換言すると、接合前のフェルミ準位が太陽電池正極２２よりも高い半導体からなる。具体的な好適例としては、マンガン酸リチウムやマンガンニッケル酸リチウム等のスピネル系や、ニッケルマンガンコバルト酸リチウム等の層状酸化物系のｎ型半導体材料が挙げられる。

なお、蓄電池負極２６及び蓄電池正極２８を形成する際には、それぞれの構成材料にカーボン等の導電材や、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等の形状維持補助材料を添加してもよい。

また、蓄電池負極２６及び蓄電池正極２８には、それぞれ、電極端子として機能する集電材４３、４４が設けられている。蓄電池負極２６の集電材４３は、太陽電池負極２０の集電材４１と同様に、銀、インジウム、スズ合金等から形成することができる。蓄電池正極２８の集電材４４は、銀、銅、アルミニウム、黄銅等から形成することができる。

蓄電池電解液３０としては、特に限定されないが、電解質を溶媒に溶解したものを用いることができる。電解質としては、例えば、ヘキサフルオロリン酸リチウム（ＬｉＰＦ₆）等のリチウム塩を用いることができる。溶媒としては、例えば、プロピレンカーボネート（ＰＣ）、エチレンカーボネート（ＥＣ）、ビニレンカーボネート（ＶＣ）、ビニルエチレンカーボネート（ＶＥＣ）等の環状カーボネートと、ジメチルカーボネート（ＤＭＣ）、エチルメチルカーボネート（ＥＭＣ）、ジエチルカーボネート（ＤＥＣ）等の鎖状カーボネートとの混合溶媒を用いることができる。

なお、標準電極電位は、水素イオン指数や、溶媒による影響を受けて変化する。このため、蓄電池負極２６の酸化還元電位を太陽電池負極２０のフラットバンドポテンシャルよりも低くするべく、蓄電池電解液３０の溶媒を適宜変更することも可能である。

セパレータ３２は、例えば、微多孔性ポリオレフィンフィルム等から形成することができる。

以上のように構成される太陽電池１６及び蓄電池１８は、太陽電池正極２２と蓄電池正極２８とが接合されることで一体化され、光蓄電池１２を構成している。そして、互いに接合された太陽電池正極２２と蓄電池正極２８との間にはショットキー障壁が形成されている。

すなわち、本実施形態では、上記の通り、金属からなる太陽電池正極２２と、ｎ型半導体からなり、且つ接合前のフェルミ準位が太陽電池正極２２よりも高い蓄電池正極２８とが接合される。これによって、蓄電池正極２８の電子が太陽電池正極２２に流れ込んでフェルミ準位が一致する。その結果、蓄電池正極２８の接合界面に、正にイオン化したドナーが残る。これによって、空間電荷が形成されるため、電位障壁として、いわゆるショットキー障壁が形成される。

このショットキー障壁によって、太陽電池正極２２側に負の電圧を印加しても、つまり、太陽電池正極２２側の電子が増加しても、太陽電池正極２２の電子は、蓄電池正極２８には流れない。一方、太陽電池正極２２側に正の電圧を印加すると、つまり、蓄電池正極２８側の電子が増加すると、ショットキー障壁の高さが低くなるため、蓄電池正極２８から太陽電池正極２２へと電子が流れる。

なお、太陽電池正極２２と蓄電池正極２８との接合体（接合電極）は、化学気相成長法（ＣＶＤ；Chemical Vapor Deposition）、スパッタリングや蒸着等の物理気相成長法（ＰＶＤ;Physical Vapor Deposition）等の公知の膜形成技術を利用して作製することが可能である。具体的には、ｎ型半導体である蓄電池正極２８を基材とし、該基材の表面に上記の膜形成技術により、金属である太陽電池正極２２の膜を形成することで接合電極を得ることができる。また、太陽電池正極２２を基材として、該基材の表面に蓄電池正極２８の膜を形成してもよい。

上記の通り、太陽電池負極２０、蓄電池負極２６、蓄電池正極２８のそれぞれには、集電材４１、４３、４４が電極端子として設けられている。また、太陽電池正極２２には、電流を取り出すための電極端子４２が設けられている。これらの集電材４１、４３、４４及び電極端子４２に外部回路１４が電気的に接続されることで、光蓄電池１２の発電及び充放電について制御することができる。

外部回路１４は、第１スイッチ４５を介して、太陽電池負極２０の集電材４１と、蓄電池負極２６の集電材４３とを接続する配線４６（第１の配線）を有する。すなわち、第１スイッチ４５の開閉によって、太陽電池負極２０と蓄電池負極２６との接続及び非接続を切り換えることが可能である。

また、外部回路１４は、太陽電池負極２０と第１スイッチ４５の間において、配線４６から分岐する配線４８（第２の配線）を有する。この配線４８には、第２スイッチ５０、負荷５２、第３スイッチ５４が直列に設けられている。このうち、第３スイッチ５４は、負荷５２を太陽電池正極２２の電極端子４２に電気的に接続するための第１接点５４ａと、負荷５２を蓄電池正極２８の集電材４４に電気的に接続するための第２接点５４ｂとを含む。

すなわち、第２スイッチ５０は、配線４８を介して配線４６と、負荷５２との接続及び非接続を切り換えることが可能である。また、第３スイッチ５４は、太陽電池正極２２及び蓄電池正極２８から選択された一方と、負荷５２との接続及び非接続を切り換えることが可能である。

本実施形態に係る光蓄電池システム１０は、基本的には以上のように構成されるものであり、次に、その作用効果につき説明する。なお、ここでは、太陽電池１６及び蓄電池１８の各々の構成として、以下に示す材料を採用した場合を例に挙げて説明する。

すなわち、太陽電池負極２０を構成する酸化物半導体膜３８は、酸化チタン薄膜である。また、増感色素４０として、一般にＮ７１９ｄｙｅと称されるビス（４−カルボキシ−４’−テトラブチルアンモニウムカルボキシ−２，２’−ビピリジン）ジイソチオシアネートルテニウム錯体が採用されている。太陽電池正極２２は、白金薄膜である。太陽電池電解液２４は、電解質であるトリヨード化合物を、溶媒であるアセトニトリルに溶解したものである。

蓄電池負極２６は、チタン酸リチウムに、導電材としてのカーボンと、形状維持補助材料としてのＰＴＦＥとを添加したものである。蓄電池正極２８は、ｎ型半導体であるマンガン酸リチウムに、導電材としてのカーボンと、形状維持補助材料としてのＰＴＦＥとを添加したものである。蓄電池電解液３０は、電解質である六フッ化リン酸リチウムを、ＥＣとＤＥＣの混合溶媒に溶解したものである。セパレータ３２は、微多孔性ポリオレフィンフィルムである。

先ず、図１を参照しつつ、太陽電池１６によって発電を行う場合の動作について説明する。この場合、第１スイッチ４５を開き、太陽電池負極２０と蓄電池負極２６とを非接続とする。また、第２スイッチ５０を閉じて、太陽電池負極２０と負荷５２とを接続し、且つ第３スイッチ５４の第１接点５４ａを介して、負荷５２と太陽電池正極２２とを接続する。

この状態で、太陽電池負極２０に光が照射されると、酸化物半導体膜３８及び増感色素４０において、正孔（ｈ⁺）と励起電子（ｅ^-）とが生成する。この励起電子は、外部回路１４を通って負荷５２に供給され、該負荷５２で仕事をした後、太陽電池正極２２へと移動する。

この際、互いに接合された太陽電池正極２２と蓄電池正極２８との間には、ショットキー障壁が形成されている。このため、太陽電池正極２２に電子が増加しても、該電子はショットキー障壁を越えることができないので、太陽電池正極２２から蓄電池正極２８へ励起電子が流れることはない。

従って、太陽電池電解液２４中では、励起電子によって、酸化体Ｉ₃ ^-を還元して還元体Ｉ^-とする還元反応が進行する。この還元体Ｉ^-は、太陽電池電解液２４を介して太陽電池負極２０へ移動し、上記の正孔を還元して、すなわち正孔に酸化されて酸化体Ｉ₃ ^-となる。

つまり、上記の通り、太陽電池正極２２に移動した励起電子は、ショットキー障壁に基づく整流作用によって、蓄電池正極２８への移動が防止されることに加え、正孔によって酸化された酸化体Ｉ₃ ^-を還元して電荷の均衡を維持するべく太陽電池電解液２４との界面に偏在する。その結果、太陽電池負極２０と太陽電池正極２２との間に閉回路を形成して、発電反応を良好に促進することができる。

次に、図２を参照しつつ、光蓄電池１２によって充電（蓄電）を行う場合の動作について説明する。この場合、第１スイッチ４５を閉じて、太陽電池負極２０と蓄電池負極２６を接続する。また、第２スイッチ５０を開き、太陽電池負極２０と負荷５２とを非接続とする。併せて、第３スイッチ５４を開くようにしてもよい。

これによって、上記の通り太陽電池負極２０に光を照射することで発生した励起電子を、第１スイッチ４５を経由して蓄電池負極２６に移動させることができる。励起電子を受け取った蓄電池負極２６は、さらに、蓄電池電解液３０からリチウムイオン（Ｌｉ⁺）を受け取る。その結果、次式（１）に示す反応が生じ、充電がなされる。
Ｌｉ［Ｌｉ_1/3Ｔｉ_5/3］Ｏ₄＋Ｌｉ⁺＋ｅ^-→Ｌｉ₂［Ｌｉ_1/3Ｔｉ_5/3］Ｏ₄…（１）

一方、蓄電池正極２８では、次式（２）に示す反応が生じ、リチウムイオン（Ｌｉ⁺）と、電子（ｅ^-）とを生成する。
ＬｉＭｎ₂Ｏ₄→Ｌｉ_(1-x)Ｍｎ₂Ｏ₄＋ｘＬｉ⁺＋ｘｅ^-…（２）

これによって、蓄電池正極２８に生成した電子が増加すると、ショットキー障壁を越えて太陽電池正極２２へと電子が移動可能になる。つまり、蓄電池正極２８で生成した電子は、太陽電池正極２２を介して、太陽電池電解液２４中に移動することができる。

このように、太陽電池電解液２４に移動した電子は、上記の通り、酸化体Ｉ₃ ^-を還元して還元体Ｉ^-とする。この還元体Ｉ^-は、太陽電池電解液２４を介して太陽電池負極２０で正孔を還元して酸化体Ｉ₃ ^-となる。

すなわち、蓄電池負極２６に電子を供給することにより、蓄電池正極２８に生じる電子を移動体として、蓄電池電解液３０と太陽電池電解液２４との電荷の均衡を維持することができる。これによって、太陽電池負極２０と蓄電池負極２６との間に閉回路を形成して、太陽電池電解液２４中での酸化還元反応を促進することができる。その結果、蓄電池１８の充電を良好に促進することができる。

次に、図３を参照しつつ、光蓄電池１２によって放電を行う場合の動作について説明する。この場合、第１スイッチ４５及び第２スイッチ５０を閉じ、第３スイッチ５４を第２接点５４ｂに切り換えることによって、負荷５２を介して、蓄電池負極２６と蓄電池正極２８とを接続する。これによって、蓄電池負極２６では、次式（３）に示す反応が生じ、電子（ｅ^-）とリチウムイオン（Ｌｉ⁺）とを生成する。
Ｌｉ₂［Ｌｉ_1/3Ｔｉ_5/3］Ｏ₄→Ｌｉ［Ｌｉ_1/3Ｔｉ_5/3］Ｏ₄＋Ｌｉ⁺＋ｅ^-…（３）

この電子は、第１スイッチ４５及び第２スイッチ５０を経由して、負荷５２に供給され、該負荷５２で仕事をした後、第３スイッチ５４を経由して蓄電池正極２８へと移動する。一方、リチウムイオンは、蓄電池電解液３０を経由して蓄電池正極２８へと移動する。これによって、蓄電池正極２８では、次式に示す反応が生じ、蓄電池１８の放電を行うことができる。
Ｌｉ_(1-x)Ｍｎ₂Ｏ₄＋ｘＬｉ⁺＋ｘｅ^-→ＬｉＭｎ₂Ｏ₄…（４）

以上のように、本実施形態に係る光蓄電池１２では、太陽電池正極２２と蓄電池正極２８とをショットキー接合して、太陽電池１６と蓄電池１８とを一体化することで、カチオン及びアニオンよりもサイズが小さい電子を移動体とすることができる。すなわち、この移動体は、イオン交換膜等を介さずに、蓄電池電解液３０側から太陽電池電解液２４側へと移動することができる。これによって、移動体の移動抵抗を低減して、光蓄電池１２の発電及び充放電の効率を効果的に向上させることができる。

本発明は、上記した実施形態に特に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能である。

例えば、上記の実施形態では、太陽電池１６を色素増感太陽電池として、太陽電池負極２０が増感色素４０を備えることとしたが、太陽電池負極２０は、増感色素４０を備えていなくてもよい。

１０…光蓄電池システム １２…光蓄電池
１４…外部回路 １６…太陽電池
１８…蓄電池 ２０…太陽電池負極
２２…太陽電池正極 ２４…太陽電池電解液
２６…蓄電池負極 ２８…蓄電池正極
３０…蓄電池電解液 ３２…セパレータ
３４…透明基材 ３６…透明導電膜
３８…酸化物半導体膜 ４０…増感色素
４１、４３、４４…集電材 ４２…電極端子
４５…第１スイッチ ４６、４８…配線
５０…第２スイッチ ５２…負荷
５４…第３スイッチ ５４ａ…第１接点
５４ｂ…第２接点

Claims (4)

1. 太陽電池と蓄電池とを一体に含む光蓄電池であって、
   前記太陽電池は、太陽電池負極と、金属からなる太陽電池正極と、前記太陽電池負極及び前記太陽電池正極の各々に接触する太陽電池電解液とを有し、
   前記蓄電池は、蓄電池負極と、半導体からなる蓄電池正極と、前記蓄電池負極及び前記蓄電池正極の各々に接触する蓄電池電解液とを有し、
   前記太陽電池正極と前記蓄電池正極とが、互いの間にショットキー障壁を形成するように接合されることで、前記蓄電池正極から前記太陽電池正極に向かう方向にのみ電流を流すことが可能であり、
   前記太陽電池の放電時には、前記太陽電池負極と前記太陽電池正極とを電気的に接続可能であり、
   前記蓄電池の充電時には、前記太陽電池負極と前記蓄電池負極とを電気的に接続可能であることを特徴とする光蓄電池。
2. 請求項１記載の光蓄電池において、
   前記太陽電池が色素増感太陽電池であることを特徴とする光蓄電池。
3. 請求項１又は２記載の光蓄電池において、
   前記蓄電池がリチウムイオン電池であることを特徴とする光蓄電池。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の光蓄電池を含む光蓄電池システムであって、
   前記太陽電池負極と前記蓄電池負極とを電気的に接続する第１の配線と、
   前記第１の配線に設けられ、前記太陽電池負極と前記蓄電池負極との接続及び非接続を切換可能な第１スイッチと、
   前記太陽電池負極と前記第１スイッチとの間の前記第１の配線から分岐し、前記太陽電池負極と前記太陽電池正極とを電気的に接続するため、又は、前記蓄電池負極と前記蓄電池正極とを電気的に接続するための第２の配線と、
   前記第２の配線に設けられた負荷と、
   前記第２の配線に設けられ、前記第１の配線と、前記負荷との接続又は非接続を切換可能な第２スイッチと、
   前記第２の配線に設けられ、前記太陽電池正極及び前記蓄電池正極から選択された一方と、前記負荷との接続又は非接続を切換可能な第３スイッチと、
   を有することを特徴とする光蓄電池システム。

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