2015 Fiscal Year Research-status Report
太陽光照射下における放射冷却のための金属ナノ構造の研究
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15K04708
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| Research Institution | Institute of Physical and Chemical Research |
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Principal Investigator |
岡本 隆之 国立研究開発法人理化学研究所, 石橋極微デバイス工学研究室, 専任研究員 (40185476)
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| Project Period (FY) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| Keywords | プラズモニクス / 放射冷却 / 導電性酸化物 / 赤外 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
可視域で高い反射率を示し、かつ、大気の窓領域（8-13μm）で高い吸収率（放射率）を示す薄膜構造体を時間領域有限差分法 (FDTD) 法を用いた数値解析により探索した。そのために、理研に新たに導入されたスーパーコンピュータ (Great Wave) に自作のFDTDを実装し、プログラムの改良を行なった。数値解析の結果、金属基板（あるいは金属薄膜を堆積した誘電体基板）上に、誘電体薄膜を介して直径の異なる金属円板をパズルの「ハノイの塔」のように積み上げた構造を２次元周期的に配置することで、上記の条件を満足することが分かった。
一方で、太陽光スペクトル領域(可視から近赤外域）で透明で、大気の窓領域で高い吸収率を示す構造についても探索を行なった。この目的のためには金属は利用できない。そのため、透明導電性酸化物を用いることを考えた。所望の目的のためには、酸化物のプラズマ周波数が太陽光スペクトル領域より長波長側にあり、かつ、大気の窓領域より短波長側にある必要がある。この条件を満たす物質として酸化インジウムが最適であることを見いだした。さらに、酸化インジウム薄膜を堆積した誘電体基板上に誘電体薄膜1層（下層）と酸化インジウム薄膜1層（上層）からなる円板を２次元周期的に配置した構造が上記の光学特性を満足することを見いだした。
我々は有機薄膜太陽電池の透明電極の置き換えとして、ランダムに配置されたナノ円開孔を有する金属薄膜電極を開発した [J. Phys. D 49, 185106 (2016)]。この有孔金属薄膜と開孔のない金属薄膜を誘電体薄膜を介してサンドイッチした構造（以下、有孔MIM構造と呼ぶ）が広帯域において強い吸収を示すことを実験で確認した。本研究の申請時点では有孔MIM構造は放射冷却のための構造の候補にはなかったが、本構造も有力な候補であることが分かった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
当初の予定では、太陽光スペクトル領域でた回反射率を示す放射冷却構造の探索において、面内に直径の異なる金属円板を配置する構造についても検討を行なう予定であったが、この構造は我々と協力関係にある他のグループ（阪大・高原）で研究を行なっているため、本研究では検討しなかった。また、可視域での高次モードを除去するという問題に関しても、現時点ではこれを解決する構造は見いだしていない。この問題は可視近赤外反射・赤外透過フィルムを表面に設けることで解決できるが、このようなフィルムの実現それ自体も大きな研究課題であり、今後検討を行なう。
一方で、当初平成29年度に行なう予定であった太陽光スペクトル領域で透明で赤外域で高い吸収を示す構造に関して、前倒しで探索を行なった。これは既存のシリコン太陽電池パネルの表面にこの構造を持つフィルムを貼り付けることで無電源でパネルの冷却が可能となる。そしてそれにより、変換効率を大きく改善できることが期待でき、社会的インパクトが大きいためである。
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| Strategy for Future Research Activity |
太陽光スペクトル領域で透明で、かつ、大気の窓領域で高い吸収率（放射率）を示す構造の探索を引き続き行なう。これまで、誘電体としては着目するいずれの波長領域にも吸収を持たない理想的な誘電体を仮定してきた。しかし、実際にこのような特性を持つ物質は限られており高価でもある。したがって、このような物質を用いることは現実的ではない。そのため、可視近赤外域で透明な高分子フィルムを基材として用いることを考え、それが持つ吸収をモデルに取り込み光学特性をFDTDや厳密結合波解析 (RCWA) で計算し、所望の特性を持つ最適な材料と構造を探索する。
主として取り組む構造は有孔MIM構造である。実験では1-2μm程度の極薄高分子フィルムの両面に酸化インジウムをスパッタで堆積する。ただし、片面の酸化インジウムにはランダムに配置した円開孔を設ける。これまで、ガラス基板上にはコロイダルリソグラフィーを用いて金属薄膜に開孔を設けることを行なってきたが、本手法を疎水性表面を持つ高分子薄膜表面に適用する方法を開発する。さらに、新規の材料として、PEDOT/PSSなどの有機半導体材料が利用できないか検討する。導電性材料として有機材料が利用できれば、大面積をもつ放射冷却フィルムの実現に大きく寄与するためである。
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