2014 Fiscal Year Research-status Report
半導体エミッタの活性化による高効率熱電子放出と光熱併用熱電子発電への応用
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26420228
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| Research Institution | Shizuoka University |
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Principal Investigator |
荻野 明久 静岡大学, 工学研究科, 准教授 (90377721)
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| Project Period (FY) |
2014-04-01 – 2017-03-31
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| Keywords | 熱電子発電 / 太陽光発電 / 半導体 / プラズマ応用 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
電子エミッタに半導体を用いる光熱併用熱電子発電は、熱エネルギーおよび光エネルギーを電気エネルギーに直接変換できる発電方式である。半導体エミッタの電子親和力を低減させることで、従来型の熱電子発電よりも低いエミッタ温度で電子放出を増加させることができると考えられる。電子親和力は、電子放出面へ酸素およびアルカリ金属を規則的に固定化するなど、半導体の表面状態に大きく依存することが知られており、本研究では、加熱したp型半導体エミッタの表面にアルカリ金属原子を供給し、電子親和力を制御しながら電子放出の温度依存性と光照射による効果を調べた。実験に用いた半導体エミッタ基板は、Si、SiC、GaN膜およびダイヤモンド膜であり、これらの基板表面を、プラズマ照射、化学処理、オゾン処理または加熱処理などの手法を用いて、表面の原子組成および構造を変え、電子放出特性への影響を調べた。
その結果、p-Siエミッタ表面にキセノンランプの光を照射すると電子放出電流が増大し、実施した実験条件下では最大40倍増加する結果が得られた。光照射時における放出電流の増大は入射光子数に依存し、内部光電効果により半導体エミッタの伝導帯の電子密度が増大しためと考えられる。また、電子放出の温度依存性から650 K以上の温度域で低い電子親和力を維持することが重要となることがわかった。そこで、半導体エミッタ表面にプラズマを照射し、表面へアルカリ金属を固定化するための前処理手法としてプラズマ表面処理の有効性について検討した。初期的な実験としてSi表面に水素プラズマを照射し電子放出特性への影響を評価したところ、電子放出電流は減少したが、比較的短時間のプラズマ処理であっても電子放出特性に大きく影響することがわかった。
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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
本研究では、1000 K以下における半導体表面からの放出電流の温度依存性と表面状態の関係に注目している。これまでに、Siなどの半導体材料をエミッタとし、450～700 Kの比較的低い温度領域における電子放出特性の測定を行ったところ、興味深い結果が得られた。エミッタにSiを用い、表面の仕事関数を調整するためにセシウムを用いた場合、セシウム密度により、放出電子電流が極大化するエミッタ温度が存在する。Siの場合、この温度依存性はエミッタ表面の面方位および原子状態に影響される。特に、水素プラズマを照射したSi表面は、プラズマ照射しない時と比べ、かなり異なった電子放出特性が得られた。目標としている電子放出量には未だ達してはいないが、これはエミッタ温度上昇に伴い、低い仕事関数を維持することが容易でないためである。また、GaNをエミッタとすると、光を照射しない場合でも比較的高い電子放出電流(約1 mA/cm2, エミッタ温度約450 K)が得られたが、バンドギャップが大きいため光吸収による内部光電効果の影響が小さく、光照射による増幅効果は微量であった。これらの知見は今後の研究推進に有用であり、その他の材料の電子放出特性の結果を踏まえつつ、700～1000 Kの高温域へのエミッタ加熱、エミッタの表面処理およびセシウム以外のアルカリ金属を用いた実験の準備を進めている。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまでに得られた結果から、電子放出特性を向上させるには650 K以上の温度域で低い電子親和力を維持することが重要であると考えられる。アルカリ金属を用いて仕事関数を調整する場合、使用するアルカリ金属とエミッタ基板の種類と表面状態を最適化する必要がある。今後、Si、SiCおよびダイヤモンド薄膜をエミッタとし、Cs以外のLiおよびNaなどのアルカリ金属も使用し電子放出特性の向上を目指す。ここでは、高温領域でのエミッタ表面におけるアルカリ金属の吸着特性を向上し、アルカリ金属原子の被覆率を最適化できる表面処理についても検討する。この表面処理では酸素原子の効果にも注目しており、オゾン処理および酸素プラズマ処理した基板を用意し、電子放出特性の測定を行う。また、エミッタ表面をXPSなどにより解析し、プラズマ処理による表面状態の変化と電子放出に関わるメカニズムの検討することで電子放出特性を向上につなげていきたい。
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Research Products
(12 results)
