2018 Fiscal Year Annual Research Report
High density energy conversion by spectral controlled surface plasmon established between nano-sized pillar-array structured surfaces
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17H03184
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
花村 克悟 東京工業大学, 工学院, 教授 (20172950)
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2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 近接場光 / 波長選択 / 熱光起電力発電 / エネルギー変換 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、数百ナノスケールの真空隙間を隔て向かい合う赤外線放射面と光起電力半導体表面の双方にナノサイズの周期的柱状構造を付与し、その柱間溝を隔て向かい合う側面に生ずる表面プラズモン（これらは溝内の電場により互いに結合）を溝深さ（柱高さ）と干渉させることで発電に寄与する波長帯のみ選択的に輸送促進させ、熱から電気への高密度エネルギー変換を構築するものである。
平成30年度は、発電用の電池の構成について、平成29年度に見出した、金属/GaSb/金属多層膜構造における選択波長吸収に注力した。特に表面電極をフィッシュネット状Auとし、GaSb半導体を100nm程度の薄膜とした、フィッシュネットAu/薄膜GaSb/基板Auといった構成にすることにより、GaSbのバンドギャップ波長である1.8ミクロン近傍の吸収率をほぼ1に、それより長い波長を95％以上反射することができる発電素子とすることができることを数値計算により見出した。これは、本研究の近接場ふく射輸送の選択波長発電が可能となるばかりではなく、例えば鉄工所などで損失となる遠方場のふく射を利用した未利用エネルギー発電としても期待できる画期的な発電素子となる。一方、近接場を利用した発電実験については、センチメートルサイズ(0.8cm×1.6cm)の平滑面GaSbショットキーダイオード電池を用い、その表面に4つの石英ガラス製スペーサー（直径500ミクロン）をスパッタリングにて設置し、さらに放射体表面の曲率をあらかじめ測定したうえで、両面を向かい合わせたのちFE-SEMにより側面から隙間を測定して確かめながら実験を行った。これにより、放射体温度300℃において、120nmの隙間を介することで、通常の遠方場による発電に比べておよそ250倍の発電が可能となることが示された。
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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
金属/半導体/金属の構造による波長選択吸収において、トップ面の金属構造には多くのバリエーションがあり、当初、島状Auをトップ面の金属構造に考えていたが、共鳴波長の第1ピークと第2ピークとなる波長をGaSbのバンドギャップに適合させることが難しく、発想を変えて、フィッシュネット状Au構造とした。これにより、GaSbのバンドギャップ波長近傍にシャープな吸収帯を設定できることが明らかとなった。基本的には、100nm程度の薄膜GaSbをバンドギャップ波長との干渉現象であるが、それにフィッシュネット状Au構造を重ね合わせることにより、導波管原理ならびに表面波とAu電極高さとのファブリペロー干渉条件が適合することによるものであることもわかってきた。薄膜半導体にも関わらず、発電に必要なバンドギャップ波長において吸収率が1に極めて近くなることを示すことができた。予定を変更したが、発電システムへ向けての進捗はおおむね順調であると思われる。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度は、最終年度でもあるので、Au(フィッシュネット状)/薄膜GaSb/Au多層構造発電デバイスの製作に注力し、その製作方法を確立し、ピラー構造放射体との選択波長近接場光発電システムの構築を目指す。また、発電時におけるGaSbの光学特性を測定することに挑戦する。そして、この波長選択近接場光発電システムにおける物理を明確にし、研究を総括する。
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