2020 Fiscal Year Annual Research Report
Spectral control of near-field thermal radiation for highly efficient thermo-photovoltaic power generation
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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, 助教 (70793800)
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| Project Period (FY) |
2017-05-31 – 2022-03-31
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| Keywords | 熱輻射 / 近接場 / フォトニック結晶 / 熱光発電 |
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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、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。昨年度までに、フォトニック結晶による近接場熱輻射制御の体系的理論構築および光源と太陽電池の近接手法の確立を完了するとともに、光源温度1040Kにおいて、近接場熱輻射伝達により太陽電池の短絡電流を10倍以上に増強することにも成功していた。さらに、当初計画にない新たな展開として、不要輻射を回収するための反射鏡を導入した「リサイクル式近接場熱光発電システム」を提案し、理想太陽電池を用いた場合の変換効率が40%を超える高効率熱光発電の実現可能性を見出していた。
今年度は、黒体輻射限界を超える熱輻射伝達の実証および近接場熱光発電の高パワー密度化の実現を目指して、高温加熱時の光源平坦性がさらに向上すると期待される、より厚膜のSi熱輻射光源を利用した近接場熱光発電デバイスの作製と評価を行った。光源の作製に関しては、光源の厚さを2umから20umへと増加させたことで機械強度が増加し、昨年度の4倍の面積（1mm2）のデバイスの作製に成功した。さらに、作製したデバイスの加熱時の平坦性および電流電圧特性の評価を行ったところ、光源と太陽電池の平均距離を140nm以下まで近接させた状態で光源温度を1192Kまで昇温することに成功し、そのときに、同温度の黒体輻射限界を超える光電流密度（1.5A/cm2）を実証することに成功した。さらに、昨年度に提案した、「リサイクル式近接場熱光発電システム」については、反射鏡の配置方法や光源厚さを変化させたより体系的な理論解析を行うとともに、システムの実証に向けて、近接場熱光発電デバイスの上下に反射鏡を配置した状態での発電特性の測定を可能とする実験系の構築を行った。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
本研究では、近接場熱輻射の自在な帯域制御の実現を目指しており、研究開始当初には、(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) 黒体輻射限界を超える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つを研究項目として設定していた。昨年度の時点では、このうち (I)(II)を前倒して完了するとともに、(III)についても近接場熱輻射伝達による光電流密度の大幅な増強の実証まで成功していた。また、当初計画にはない新たな展開として、近接場熱光発電システムへの反射鏡導入効果の検討をも行い、高効率熱光発電の実現可能性を見出すに至っていた。
今年度の研究では、(III)について、黒体輻射限界を超える熱輻射伝達の実証および近接場熱光発電のさらなる高パワー密度化の実現を目指して、高温加熱時の光源平坦性がさらに向上すると期待される、より厚膜のSi熱輻射光源を利用した近接場熱光発電デバイスの作製と評価を行った。その結果、光源と太陽電池の平均距離を140nm以下まで近接させた状態で光源温度を1192Kまで昇温することに成功し、近赤外域において、同温度の黒体輻射限界を超える光電流密度（1.5A/cm2）を実証することに世界で初めて成功した。これにより、研究開始当初に設定していた研究開発項目を1年前倒しで完了することが出来たといえる。さらに、当初計画にない新たな展開として、昨年度に初期的な提案を行った「リサイクル式近接場熱光発電システム」について、反射鏡の配置方法や光源厚さを変化させたより体系的な理論解析を行い、さらに実験的な検証に向けた光学系の改良をも行った。特に、前者の体系化した理論解析結果については、査読付き学術雑誌に論文が掲載されるに至り、当初の計画を超える成果を得ることが出来た。
以上により、全体として本研究課題は当初の計画以上に進展しているといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
上記の通り、現在までに、研究が当初予定以上に進行しており、当初の全ての計画を1年前倒しで完了することが出来た。さらに、当初計画になかった新たな展開として、近接場熱光発電システムに、不要な熱輻射を光源側に戻すための反射鏡を導入した「リサイクル式近接場熱光発電システム」の提案を行い、理論的な体系化を完了するとともに、実験的な検証を見据えて、近接場熱光発電デバイスの上部に反射鏡を配置した状態での発電特性の測定を可能とする実験系の構築にも成功した。
そこで最終年度となる2021年度では、当初計画を超える展開として、これまでに提案および理論的体系化を進めてきた「リサイクル式近接場熱光発電システム」の基本コンセプトの実験的な検証と、近接場熱光発電システムの出力密度・発電効率のさらなる向上を目指す。具体的には、2020年度に実証した厚膜Si熱輻射光源を利用した近接場熱光発電デバイスの上部に反射鏡を近接させ、反射鏡の有無によるデバイスの発電特性の変化を測定することにより、上部反射鏡による輻射リサイクリングの効果を定量的に確認する。また、光源と太陽電池の近接距離のさらなる低減、光源のさらなる昇温、太陽電池の直列抵抗の低減など、多方面からデバイス構造の改良を行い、発電パワー密度および発電効率をさらに向上させることを目指す。以上の総合的な検討を通じて、近接場熱輻射スペクトル制御を利用した高出力・高効率な熱光発電への展開の基盤技術の構築を目指していく。
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| Remarks |
野田研究室ホームページ
http://www.qoe.kuee.kyoto-u.ac.jp
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