2017 Fiscal Year Annual Research Report
近接場熱輻射の帯域制御手法の確立と熱光発電への展開
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17H06125
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| Research Institution | Kyoto University |
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Principal Investigator |
野田 進 京都大学, 工学研究科, 教授 (10208358)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
浅野 卓 京都大学, 工学研究科, 准教授 (30332729)
井上 卓也 京都大学, 工学研究科, 特定助教 (70793800)
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| Project Period (FY) |
2017-05-31 – 2022-03-31
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| Keywords | フォトニック結晶 / 熱輻射制御 / 近接場 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、高温物体と受光素子を近接させた際に生じる近接場熱輻射に着目し、フォトニック結晶を活用することで所望の帯域のみで黒体輻射限界を超える熱輻射を引き出す技術を確立し、高出力・高効率な熱光発電への展開の基礎を築くことを目的とする。具体的な研究項目は、(I)近接場熱輻射制御の体系的理論構築、(II)光源・受光素子対の近接場結合法の確立、(III)近赤外狭帯域熱輻射伝達の実証および熱光発電への展開、の3項目を設定している。
本年度は、 (I)および(II)の検討を開始した。(I)に関しては、フォトニック結晶から生じる近接場熱輻射を解析するべく、揺動散逸定理と厳密結合波解析を複合した新しい解析手法を確立した。具体的な光源として、1次元Siフォトニック結晶を検討して系統的な解析を行った結果、近接場効果とフォトニック結晶のバンド折り返し効果を併用することで、近赤外熱輻射のみを黒体限界を超えて増強可能であることを見出だした。さらに、受光素子として高抵抗Si基板を中間基板としたInGaAs太陽電池を利用することで、投入パワーの70%以上を近赤外熱輻射に変換可能であることを示した[Opt. Express, vol.26, A192 (2018)]。
(II)に関しては、上記の薄膜Si光源の支持構造の設計と試作、および高抵抗Si基板上InGaAs太陽電池の作製に着手した。前者に関しては、有限要素法による解析を行い、熱膨張時の光源変形を抑制可能な卍型支持構造を提案し、その作製プロセスの検討を行った。また、Si光源自体の作製手法や耐熱性に関しても検討を行い、上記の理論計算で仮定した温度1400 Kで動作可能であることを確認した[APL, vol.112, 011103 (2018)]。後者の太陽電池の作製に関しては、SOI基板とInP基板のプラズマ活性化接合に基づく作製プロセスを確立した。
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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
前述のように、本研究では、フォトニック結晶による近接場熱輻射の自在な制御の実現を目指しており、研究項目として、(I)体系的理論構築、(II)光源・受光素子対の近接場結合法の確立、(III)近接場熱輻射制御の実証および熱光発電への展開、の3項目を設定している。
本年度は、まず(I)に関して、新しい解析手法を確立した上で、光源へのフォトニック結晶の導入や受光素子表面への中間透明基板の導入が、近接場熱輻射スペクトルに与える影響を体系的に明らかにした。これまでの先行研究では、フォトニック結晶を導入した際の近接場熱輻射スペクトルの一般的な解析手法が確立されておらず、フォトニック結晶の効果も解明されていなかったため、上記の解析手法・解析結果は、近接場熱輻射制御の研究分野に「フォトニック結晶の活用」という新しい方向性を生み出した点で、学術的に重要であると言える。さらに、一般的な理論解析にとどまらず、今後の実験的実証を見据えた具体的な光源・受光素子構造の設計をも行っており、次年度以降の実験的実証の基礎を築くことができた。
また、(II)に関しては、光源加熱時の熱応力変形を抑制可能な、Siフォトニック結晶光源の支持構造の設計および試作を行うとともに、SOI基板とInGaAs/InP基板のプラズマ活性化接合を利用した、中間透明基板上太陽電池の作製プロセスの検討を行った。前者に関しては、次年度以降に、作製光源の高温加熱実験を行い、光源の変形量を定量的に評価し、設計・作製にフィードバックする予定である。後者に関しては、当初の目標よりも早くデバイスの試作を完了できており、次年度以降、光電変換性能や表面平坦性の評価を行う予定である。
以上により、全体として本研究課題は順調に進展しているといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
次年度においては、(I)体系的理論構築 をより深化させつつ、(II)光源・受光素子対の近接場結合法の確立 について本格的な検討を行う。(I)に関しては、本年度に検討した1次元フォトニック結晶の解析を発展させ、2次元フォトニック結晶光源から生じる近接場熱輻射スペクトルの解析を行い、2次元フォトニック結晶に特有の物理現象（フォトニックバンドギャップ・フラットバンドの出現）を利用した近接場熱輻射スペクトルのさらなる狭帯域化の実現可能性を探索する。(II)に関しては、本年度に試作を行った、薄膜Si光源および太陽電池の詳細な特性評価を行い、設計・作製へのフィードバックを行う。具体的には、薄膜Si光源を青色レーザの照射等で高温に加熱する実験を行い、その際の熱膨張による光源変形の大きさや熱伝導損失の大きさを、光源の反射率スペクトルに現れるFabry-Perot干渉の変化を利用して評価を行う。得られた実験結果は、有限要素法による解析結果と比較し、新たな光源設計・作製へフィードバックを行う。さらに、最終的な目標である、(III)近接場熱輻射制御の実証および熱光発電への展開 に向けて、まずは熱輻射光源と太陽電池を離して配置した光学系において、光源の加熱パワーに対する太陽電池に照射される近赤外パワーの割合について定量的な評価を行う。さらに、光源と太陽電池を平行に対向させながら近接させる光学系の構築にも着手し、両者を近接場熱輻射伝達が生じる距離まで近接させることを目指す。
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